18.4. Балансові методи

Для оцінки направленості гідрогеологічних і меліоративних процесів складаються загальні і частковий водний, а та­кож сольовий баланси для регіонів, масивів, ділянок, з врахуванням ха­рактерних періодів їх меліоративного освоєння [14].

Воднобалансові методи базуються на вивченні балансу (притоку і витрат) води, які зв’язуються балансовими рівняннями для певного періоду часу і конкретної території.

Окремі елементи балансу часто визначаються експериментальним шляхом, після чого складається баланс для даної території.

Прогнозний баланс складають, аналізуючи умови зміни гідрогеологічної обстановки об’єктів через визначення складових частин балансу. Цими розрахунками можна встановити потребу в захисному дренажу і величину дренажного модуля.

Баланси складають, зазвичай, в вигляді загального водного ба­лансу або окремо для поверхневих вод і зони аерації, ґрунтових і напірних вод. Їх склада­ють переважно для річного циклу і середнього року, тому всі прибуткові і витратні статті беруться в середньому за рік для всієї території.

Прогноз необхідно виконувати для окремих районів, що виділяються за основними показниками, що формують характер ба­лансу, водно-фізичні властивості порід зони аерації, умови відтоку ґрунтових вод. Інколи баланс диференціюють для характерних періодів - вегетаційного і невегетаційного, сезонів року або навіть окремих місяців.

Результати розрахунку прогнозного водного балансу виража­ють у вигляді сумарної зміни запасів ґрунтової вологи зони аерації або у вигляді середнього для балансової території рівня ґрунтових вод. Якщо ба­ланс додатній, вважають, що вода іде на заповнення вільної ємкості, ґрунтів зони аерації, тобто на підвищення рівня ґрунтових вод; коли ба­ланс від^’ємний, вважають, що рівень ґрунтових вод знижується внаслідок спрацювання їх запасів.

18.4.1. Рівняння водного балансу зрошуваної території

Рівняння водного балансу для обґрунтування необхідності дренажу запропоновані О.М. Костяковим. Для цього розрахунок ведуть з різним поєднанням меліоративних заходів (природне зволоження, зрошення без дренажу, зрошення з дренажем), для різних рівнів (загальне рівняння, рівняння для поверхневих вод, зони аерації, ґрунтових вод).

Загальний водний баланс і водний баланс зони аерації для території, що підлягає меліорації, в природному стані (до зрошення і вводу дренажу) має вигляд:

а) загальний водний баланс

, (18.13)

де – сумарна зміна запасів води в межах розглянутої території, м³/га;

– притік поверхневих вод, м³/га;

– відтік поверхневих вод, м³/га;

– притік підземних (ґрунтових) вод, м³/га;

– відтік підземних (ґрунтових вод), м³/га;

– атмосферні опади, м³/га;

– сумарне випаровування (випаровування з поверхні ґрунту і транспірація), м³/га;

– вертикальний вологообмін балансового шару з нижчерозташованими водоносними горизонтами (підживлення грунтових вод напірними підземними водами або перетікання ґрунтових вод вниз);

б) баланс поверхневих вод і вологи в зоні аерації

, (18.14)

де – зміна запасів вологи в зоні аерації в межах розглянутої території, м³/га;

– вертикальний вологообмін між водами зони аерації і ґрунтовими водами, м³/га;

в) баланс підгрунтових вод

, (18.15)

де – зміна запасів грунтових вод в межах розглянутої території, м³/га.

Загальний водний баланс і баланс зони аерації для території з існуючим зрошенням до будівництва дренажу має вигляд:

а) загальний водний баланс

, (18.16)

де – водозабір в зрошувальну систему, м³/га;

– поверхневі скиди зрошувальної води з території полів, м³/га;

, (18.17)

– кінцеві скиди із зрошувальних каналів, м³/га;

– скиди з поверхні полів при поливі, м³/га;

, (18.18)

– зрошувальна норма з врахуванням промивного режиму, м³/га;

, (18.19)

– дефіцит водоспоживання зрошуваних сільськогосподарських культур, м³/га;

– втрати води на випаровування при поливах, м³/га;

– втрати води при поливі за рахунок інфільтрації нижче розрахункового шару, м³/га;

– додаткова зрошувальна норма на промивний режим, м³/га;

– фільтраційні втрати зрошувальної води із каналів і трубопроводів, м³/га;

б) баланс поверхневих вод і вологи в зоні аерації

, (18.20)

в) баланс ґрунтових вод

, (18.21)

Водний баланс для зрошуваної території при наявності дренажу має вигляд:

а) загальний водний баланс

, (18.22)

де – об’єм дренажного стоку (навантаження на дренаж), м³/га;

б) баланс поверхневих вод і вологи в зоні аерації не змінюється і буде як рівняння (18.20);

в) баланс ґрунтових вод

, (18.23)

Із наведених воднобалансових рівнянь необхідно визначити навантаження на дренаж і його складові елементи для розрахунку дренажу.

Складові водного балансу , , після вводу в дію дренажу можуть відрізнятись від їх значення в природних умовах. Зокрема, при дії дренажу притік підземних вод завжди збільшується, а відтік зменшується.

В залежності від конкретних умов рівняння водного балансу можна спрощувати. Зокрема, при розташуванні меліорованих територій на вододілі можна прийняти ; на засолених землях, що характеризуються слабкою відвічність допускається ; при відсутності напірного живлення балансового шару можна прийняти ; при високій технології поливу і досконалій техніці ; при застосування закритих зрошувальних систем значно зменшується .

При розрахунках на середньорічні умови багаторічного ряду ( , ) із рівняння (18.23) навантаження на дренаж визначають за формулою

. (18.24)

Величину атмосферних опадів визначають за даними найближчої метеостанції. Величину зрошувальної норми встановлюють за результатами розрахунку режиму зрошення.

Сумарне випаровування Е протягом вегетаційного періоду приймають рівним водоспоживанню, що відповідає застосуванню сучасної техніки зрошення, підтриманню високого агротехнічного фону та родючості ґрунту, і встановлюється розрахунком або за експериментальними даними.

Втрати на фільтрацію із зрошувальних каналів встановлюють шляхом проведення натурних спостережень на запроектованих системах, за об’єктами-аналогами або гідродинамічними розрахунками. Цю величину можна також визначити за формулою

, (18.25)

де – ККД внутрішньогосподарської зрошувальної мережі.

Якщо негативне (від’ємне), то запаси води в ґрунті розрахункового шару і рівень ґрунтових вод знижується. Позитивне (додатне) значення додається до початкового запасу вологи, (на початку розрахункового періоду). Якщо за рахунок запаси вологи в грунті пеевищують запаси вологи при НВ на величину , то ця різниця піде на поповнення ґрунтових вод і підвищення їх рівня на величенну

, (18.26)

де ;

– початкові запаси ґрунтової вологи, м³/га;

– запаси заповнення ґрунту вологою до НВ, м³/га;

– дефіцит заповнення ґрунту водою до повної вологоємкості, що складає 0,01-0,40 об’єму ґрунту (коефіцієнт водовіддачі). Менше значення приймають для глинистих і суглинистих ґрунтів, а більше для піщаних і супіщаних (див. табл. 18.1).

Рівняння водного балансу зрошуваної території відрізняються від однойменних рівнянь незрошуваних територій:

• статтями рівняння водного балансу в умовах зрошення є об’єм водоподачі і об’єм колекторно-дре­наж­ного стоку, які в більшості випадків перевищують природні складові;

• вододіл поверхневих і ґрунтових вод рідко співпадають з границями ділянок зрошення, тому необхідно враховувати водообмін зрошуваної і незрошуваної територій;

• в окремих випадках, крім середньо багаторічного балансу, необхідно розраховувати баланси для років різної забезпеченості, а також для вегетаційного, промивного періодів і т.д.

Розрахунок водного балансу в існуючих умовах незрошуваних територій або на діючих меліоративних системах необхідно виконувати для того, щоб:

• перевірити правильність прийнятої розрахункової схеми і зако­номірності зміни окремих складових балансу;

• перевірити правильність польового визначення складових вод­ного балансу;

• визначити існуючу величину втрат на випаровування і транспірацію.

На основі аналізу природного водного балансу визначають всі члени рівняння проектного водного балансу, необхідного для скла­дання прогнозів I, II і III типів та для визначення середнього дренаж­ного модуля.

Всі складові члени рівнянь визначаються в м³/га за рік. Загальна зміна витрат води на території за розрахунковий період:

= + + . (18.27)

Ця система рівнянь принципіально не відрізняється від за­гального балансового рівняння, але такий запис дає можливість по іншому будувати схему розрахунку.