книги из ГПНТБ / Писарьков, Х. А. Осушение лесных земель учебное пособие для студентов лесохозяйственного факультета (специальность 1512)

фильтрационный расход через Q, а площадь поперечного се- • чения трубы с песком через со, получим формулу Дарси:

Это и есть уравнение, выражающее основной закон фильтра­ ции (Дарси): скорость фильтрации равна пьезометрическому уклону, умноженному на коэффициент фильтрации К. При i= l K=v. Следовательно, коэффициент фильтрации К — это

трации равна расходу, деленному на все сечение почвогрунта, поэтому и меньше скорости движения воды в порах. Что­

бы получить истинную скорость, надо разделить скорость фильтрации на величину действующей порозности, что значи­ тельно осложняет расчеты. Поэтому для получения правиль­ ных фильтрационных расходов указанная разница в скоро­ стях учитывается при определении коэффициентов фильтра­ ции.

Определение коэффициентов фильтрации. Для определе­ ния скорости фильтрации грунтовых вод необходимо знать ко­ эффициенты фильтрации и уклоны грунтового потока.

Коэффициенты фильтрации обычно определяются полевы­ ми методами: методом восстановления уровня воды в скважи­ нах после откачки и методом инфйльтрации. Для песков мож­ но применять лабораторный метод — по механическому со­ ставу песка.

1. Сущность определения коэффициентов фильтрации м тодом восстановления воды в скважинах после откачки сво­ дится к следующему.

На выбранной точке тарелочным буром диаметром 10— 20 см устраиваются скважины, глубиной, приблизительно рав­

ной глубине осушительных линий. Скважины следует устраи­ вать в период наиболее высокого стояния грунтовых вод (око­ ло 10—40 см ниже поверхности). После того как скважина

будет пробурена, следует подождать пока уровень воды в ней займет свое естественное положение, т. е. когда прекратится подъем воды. После этого измеряются следующие величины (рис. 19): глубина стояния грунтовой воды от поверхности /г, глубина скважины Т, глубина воды в скважине Н и диаметр скважины d.

Затем воду из скважины вычерпывают почти до дна, остав­ ляя на дне слой воды 5—10 см. Вычерпывание удобнее произ-

40

водить консервной банкой с прикрепленной к ней ручкой. По­ сле откачки воды быстро измеряют расстояние у0' от пони­

женного уровня до поверхности земли и замечают время из­ мерения по часам. При дальнейшем подъеме воды в скважине эти измерения уровня и времени повторяются не менее 5— 6 раз, пока уровень не поднимется почти до первоначального положения (до откачки).

Из наблюденных величин у0', У\',... у„' вычитают глубину грунтовых вод h: y0- y 0'—h; y\ = y \ —h ; ... уп = уп' —/г. Вели­ чину у0 делят последовательно на у0, Уи. . . уп; для получен­

ных частных определяют логариф­ мы и величины этих логарифмов де­ лят на время в секундах менаду из­ мерениями у0ИУ1, у0 И 1/2,- • •' Уо и уп,

получая условные тангенсы:

Ig-&

Среднее значение tg а удобнее всего определять графи­

чески (см. рис. 20). Для вычисления коэффициентов фильтра­ ции имеется несколько формул; наиболее отвечающая наблю­ денному стоку из осушительных систем следующая:

г— радиус скважины, см;

Н= Т—h — глубина воды в скважине, см; tg а — средняя величина тангенса;

d — диаметр скважины, см.

На каждой скважине следует определять коэффициент дважды, для этого после первого определения следует сделать вторую откачку и все наблюдения повторить, из двух опреде­ лений К вычисляется средняя его величина.

Приведем пример полевых записей и вычислений коэффи­ циента фильтрации.

Глубина скважины 7=91 см. Глубина грунтовой воды А= 15 см. Глубина воды в скважине Н = 76 см. Диаметр сква­

4L

жины cf= 15 см. После откачки записи подъема уровня воды

Данные подъема уровней (табл. 9) обрабатываются по форме, приведенной в табл. 10.

Таблица 10

Форма обработки материалов наблюдений при определении К

По полученным логарифмам строится график (рис. 20), на котором по оси ординат откладываются величины Ig-y-, а по

■оси абсцисс — соответствующее число секунд. Данные I и II откачки наносятся в различных условных обозначениях

.(кружки и треугольники). Для I и II измерений проводятся из нулевой точки прямые линии, наиболее отвечающие распо­ ложению точек данного измерения. Далее для каждой из про­ веденных линий определяются тангенсы угла их наклона, пу­ тем деления любой ее ординаты на соответствующую абсцис­ су. Для приведенного примера tg ai = 0,000050 и tg a 2=

42

= 0,000058. Коэффициент фильтрации для среднего тангенса равен

Sfi 95

ЛсР = 32,0 - 0,000054 = 0,0013 см сек = 1,123 м.)сутки.

Для каждой скважины должно быть указано ее местопо­ ложение, номер, дата производства наблюдений и произведено описание почвенного разреза.

Рис. 20. Определение tg а

2. Основным недостатком описанного выше метода явля­ ется то, что он применим лишь для неглубокого залегания грунтовых вод. При глубоком залегании уровня грунтовых вод могут применяться разные способы, из них наиболее про­ стой— способ инфильтрации Болдырева. При этом способе определение К производится следующим образом.

На выбранном месте устраивается шурф сечением не менее 0,2X0,2 м или скважина диаметром не менее 0,2 м. Дно шур­

фов и скважин должно доходить до поверхности того слоя, водопроницаемость которого определяется. При глубоком за­ легании изучаемого слоя сначала выкапывается обычный поч­ венный шурф (яма), а на дне его устраивается измеритель­ ный шурф или скважина. В неустойчивых грунтах шурфы и скважины закрепляются. На дно шурфа или скважины уста­ навливается рейка высотою не более 10 см. Нуль рейки дол­

жен совпадать с поверхностью дна. На дно насыпается слой мелкого гравия толщиною около 2 см.

В шурф или скважину наливают слой воды 5—10 см. За­

тем периодически, по мере поступления воды в почву, долива­

ют определенное количество воды. Рекомендуется долив воды производить после снижения уровня воды в скважине на вы­ соту не более 1 см. Налив воды можно производить мензуркой

или еще точнее специальными приборами (сосуд Мариотта, бак с водомерным стеклом и резиновой трубкой с зажимом, прибор Левенца). При отсутствии этих приборов можно ис­ пользовать любой сосуд, объем которого точно ' известен (обычно 0,5 л) и доливать каждый раз, когда уровень воды

понизится до верха рейки (колышка). В бланке специальной формы записываются время долива и объем вылитой воды. Т.ак как сначала одновременно с'фильтрацией происходит и впитывание воды в почву (образование пленочной и капил­ лярной воды), то поступление воды в почву с течением време­ ни замедляется. Исследования продолжаются до тех пор, по­ ка фильтрационный расход не стабилизируется.

Коэффициент фильтрации вычисляется по формуле

где К — коэффициент фильтрации, см/сек;

Q — установившийся расход воды, см3/сек;

F — площадь смоченной поверхности шурфа или скважи­ ны, см2.

Площадь определяется по формулам:

для скважин с незакрепленными стенками: F = nr(r + '2Z); для скважин с закрепленными стенками: F = nr2;

а и Ь — длины сторон шурфа, см;

Z высота постоянного слоя воды, см.

Таким образом, при этом способе пьезометрический уклон принимается равным единице.

3. Для песчаных грунтов коэффициент К можно прибл

женно определить по эмпирической формуле Хазена:

Найденный по этой формуле коэффициент фильтрации пригоден для определения притока воды в колодцы.

44

Действующий (эффективный) диаметр песка можно опре­ делить по механическому составу: три мелкие фракции в сум­ ме дают (1,634 2,27 + 3,08) =6,98%, т. е. до 10% недостает

3,02%. Поэтому d e больше 0,1 и находится в пределах фрак­

ции 0,25—0,10 путем интерполяции.

Для чистого песка принимаем С= 800, коэффициент К оп­

ределяем по формуле (61):

К = 800 • 0,1092 = 9,52 м/сутки = 0,П см/сек.

Величины коэффициентов фильтрации в зависимости от почвогрунтов сильно варьируют (от 100 до 0,01 м/сутки).

Расход грунтового потока. Расход грунтового потока опре­ деляется по формуле

где Q — расход, м3/сутки-,

F. — площадь поперечного сечения потока, равная Bh, м2; v — скорость фильтрации, равная Ki, м/сутки;

В — ширина потока, м;

h — мощность потока, определяемая бурением, м;

К — коэффициент фильтрации, определяемый по форму­ ле (61) или иным способом, м/сутки;

i — уклон грунтового потока.

Для определения направления движения грунтовых вод необходимо заложить не менее трех скважин по углам равно­ стороннего треугольника. Производят съемку этого треуголь­ ника и нивелировку поверхности земли у скважин. Далее, из­ меряя глубины грунтовых 'вод у каждой скважины и вычитая эти величины из отметок поверхности, получают отметки уров­ ня грунтовых вод. Треугольник, в выбранном "масштабе, на­ носят на план, и у скважин выписывают отметки грунтовой воды; по этим отметкам проводят горизонтали грунтовой во­ ды, которые называются гидроизогипсами. Грунтовая вода движется по направлению наибольшего уклона, т. е. перпен­ дикулярно гидроизогипсам (рис. 21).

45

Для определения уклона грунтового потока перпендику­ лярно гидроизогипсам проводят линию АВ, длину которой

определяют по плану, а отметки её концов — по гидроизогип­ сам; по этим данным определяют уклон, как показано на рис. 21:

i= (6,5—5) : 600 = 0,0025.

Рис. 21. Определение уклона грунтовом во­ ды по гидроизогнпсам

Глава II

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОСУШЕНИЮ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ

§1. ТРЕБОВАНИЯ РАСТЕНИИ

КВОДНО-ВОЗДУШНОМУ РЕЖИМУ ПОЧВ

Известно, что основными факторами плодородия почвы яв­ ляются пища и вода. Только при правильном сочетании пи­ щевого и водного режимов почвы создаются благоприятные условия для роста и развития растений. На рост растений от­ рицательно влияет как избыток, так и недостаток влаги.' Ув­ лажнение считается избыточным, если в почве содержится влаги больше двух третей от полной влагоемкости и влажность почвы превышает наименьшую влагоемкость. Избыток влаги ухудшает аэрацию почвы, под которой следует понимать по­ стоянный процесс обмена газов между атмосферой и почвой. При отсутствии нормального газообмена аэробные процессы

46

сменяются анаэробными. В переувлажненной почве, как по­ казали исследования С. Э. Вомперского, Б. В. Бабикова и др., грунтовые воды полностью лишены кислорода и появляется он здесь только кратковременно (на 1—2 дня) после ливне­ вых дождей. В связи с высоким уровнем грунтовых вод нет кислорода и в почвенном воздухе. Исследованиями А. Я. Ор­ лова (1971) установлено, что снижение содержания кислоро­ да вокруг корней до 1—2 мг!л приостанавливает рост корней,

апри отсутствии его в течение 4—5. суток корни гибнут. При анаэробиозисе нарушается водный обмен растений и

снижается транспирация, задерживается потребление органи­ ческих кислот для синтеза белков, ухудшается питание расте­ ний азотом, фосфором и другими веществами. Некоторые про­ дукты анаэробного дыхания токсичны для растений. Подав­ ление процессов нормальной жизнедеятельности при избытке влаги снижает прирост древостоев. .

Кроме непосредственного воздействия на растения, избы­ ток влаги вызывает разрушение структуры почвы, ускоряет процессы глееобразования, снижает прогреваемость почвы и минерализацию органического вещества.

Для нормального течения почвенных процессов, в зависи­ мости от вида растений, в почве должно содержаться не ме­ нее 15—30% воздуха от общей порозности. Количество возду­ ха регулируется осушением, при котором из почвы удаляется

где V — количество воздуха в процентах от объема почвы;

Р— порозность почвы в процентах от ее объема;

а— объемный вес почвы;

г — весовая влажность в процентах к весу сухой почвы.

Например, для торфяной почвы при весовой влажности 400%, порозности 75% и объемном весе 0,15 содержание воз­ духа равно"75—0,15 >400= 15%.

Чем больше понижается уровень грунтовых вод, тем мень­ ше влажность, особеннб верхних слоев почвы, и лучше аэра­ ция. Исследования на осушенных торфяных почвах переход­ ных болот с глубиной грунтовых вод 0,4—0,9 м, проведенные

Б. В. Бабиковым, показали (табл. 11), что состав воздуха на грубине 10 и 30 см от поверхности почвы характеризуется вы­

соким содержанием кислорода в течение всего периода веге­ тации, и малым содержанием углекислоты. С глубиной состав воздуха ухудшается, однако и здесь постоянно ' имеется 5—6% кислорода, что значительно больше нижнего предела нормального роста растений.

47

Таблица 11

Содержание кислорода и углекислоты в воздухе осушенной торфяной почвы (объемный процент)

ность почвы уменьшается до 40—50%, может замедлить рост растений. При влажности, равной 1,3—1,5 максимальной ги­ гроскопичности, растения начинают завядать. Влажность завядания для торфяных почв равна 20—30%. Однако, как по­ казали опыты С. Э. Вомперского, гибель деревьев сосны на­ чиналась только при влажности менее 13— 18%.

Нормы осушения. К влажности почв различные виды растений предъявляют различные требования. На рис. 22 по­ казано распределение влажности почвы выше горизонта грун­ товых вод. Из него видно, что вблизи горизонта грунтовой во­ ды заполнены все капилляры, а выше — только мелкие ка­ пилляры, так как по крупным капиллярам вода высоко не поднимается. При низком уровне грунтовой воды возникает зона,'.куда вода по 'капиллярам не доходит—зона пленочной во­ ды. И на'конец, в верхнем слое почвы, во время выпадения осад­ ков, образуется подвешенная капиллярная вода. Отсюда вид­ но, что влажность почвы зависит от глубины грунтовых вод и выпадающих осадков. Поэтому благоприятный для растений водный режим почв на осушаемых площадях создается под­ держанием определенной глубины грунтовой воды. Оптималь­ ный режим грунтовых вод, который нужно поддерживать на осушаемой площади в различные фазы развития растений, а также в невегетационный период, академик А. Н. Костяков назвал нормой осушения.

Нормы осушения следует устанавливать не только для ве­ гетационного периода, но также для весны и осени. А. А. Ве­ ретенников, а также другие исследователи показали, что в ре­ зультате затопления корневых систем нарушается их жизне­ деятельность не только весной и летом, но и осенью. Поэто­ му осеннее и даже зимнее затопление корней является вред-

48

ным. Большое влияние на рост леса оказывает глубина грун­ товых вод к началу вегетации. К этому времени основная мас­ са корневых систем должна быть освобождена от верховод­ ки, с тем чтобы обеспечить необходимую аэрацию почвы и протекание биохимических процессов, влияющих на накопле­ ние усвояемой пищи для растений.

Норма осушения в зависимости от климата, характера почв, вида растений и других факторов сильно изменяется во времени. На почвах с большой высотой капиллярного подъема, например, на хорошо разложившихся торфах, на,тяжелых минеральных почвах грунтовые воды нужно поддерживать глубже, чем на легких почвах и слаборазложившихся торфах, где вода по капиллярам поднимается невысоко.

"7 Подвешенная

/напилярная

I вода

Пленочная

вода

\Зона неполной

\напилярной

\насыщенности

Зона полной напилярной

— насыщенности

Горизонт грунтовой, воды

• Рис. 22. Влажность почвы выше горизонта грунтовых вод

Глубина грунтовых вод (норма осушения) может быть меньше для растений с неглубокой корневой системой и ме­ нее требовательных к условиям аэрации и температуре поч­ вы. Нормы осушения изучались научными учреждениями как для сельскохозяйственных культур, так и для леса. Профес­ сор А. Д. Дубах, обобщив накопленный, материал исследова­ ний по грунтовым водам на лесных землях, пришел к выводу, что лучший рост сосны наблюдается при глубине грунтовых вод (норме осушения) около 70—100 см в минеральных поч-

/ вах и 50 см в торфяных почвах.

Многолетние наблюдения за динамикой уровней грунто­ вых вод в Лисинском учебно-опытном лесхозе Ленинградской области в разных классах бонитета и возраста на суглинистых