книги из ГПНТБ / Шкинкис, Ц. Н. Проблемы гидрологии дренажа

где

nk( - w - j

В общем случае при наличии инфильтрации уровень грунтовых вод на дренированных полях может как понижаться, так и повы­ шаться. Скорость изменения уровня грунтовых вод в таком случае

взаимно связанных факторов, в том числе от расстояния между дренами, напора, формы кривой депрессии, свойств почвы и др. Так как учесть все эти факторы очень трудно, до сих пор нет уни­ версальных аналитических зависимостей для определения I. Имеются лишь эмпирические зависимости для определения фильт­

расстояние между дренами.

90

При h, изменяющемся от 0,40 до 1,15 м, Л = 0,00608 и п = 2,16 формула (74) принимает вид

Из формул (67) и (72) следует, что скорость снижения уров­ ней грунтовых вод v в значительной степени зависит от расстояния между дренами Е. Что это действительно так, видно из данных натурных наблюдений, приведенных в табл. 47. При уменьше­ нии Е от 36 до 10 м величина v возрастает в 3 раза. В еще отно­ сительно большей степени темп снижения уровней изменяется в за­ висимости от глубины закладки дрен t. Из табл. 47 следует, что при среднеглубоком дренаже, имеющем 7=1,2 м и Е —30 м, ве­ личина v на 30—40% больше, чем при мелком дренаже, имеющем 7 = 0,9 м и £ = 1 4 м. Исследования показывают, что требуемую ско­ рость снижения уровня грунтовых вод на суглинистых почвах обеспечивает лишь систематический глубокий дренаж при £=£720 м

и 7= 1,3—1,5 м [173, 176, 180, 182].

Таблица 47

Скорость снижения уровней грунтовых вод (см/сутки) в зависимости от степени дренирования

Следует подчеркнуть, что частый и глубокий дренаж, обеспе­ чивающий наиболее быстрое и устойчивое освобождение активного слоя почвы от высоких уровней грунтовых вод, обеспечивает и наиболее благоприятный режим влажности легких суглинистых и супесчаных почв (см. п. 6), а также наибольшие урожаи сельско­ хозяйственных культур и наибольшую экономическую эффектив­ ность вложенных в мелиорацию средств (табл. 48). По данным не­ которых зарубежных исследователей (Л. Хансен и др.), глубина закладки дрен при этом является более существенным фактором, чем расстояние между дренами. Экономическая сторона данного

91

Таблица 48

Экономическая эффективность дренирования дерново-подзолистых почв при возделывании ячменя, определенная по принятой методике [277]. Римейкас

Таблица 49

Зависимость между дренажным стоком и продолжительностью стояния высоких уровней грунтовых вод. £ = 20 м, t= 1,2 м

вопроса более подробно проанализирована в других наших работах

[164, 180].

Режим уровней грунтовых вод в различные сезоны гидрологи­ ческого года. На дренированных почвах режим уровней грунто­ вых вод обусловливается как природными (испарением, транспира­ цией), так и техническими (видом дренажа, степенью дренирова­ ния) факторами. При этом относительное влияние этих факторов по сезонам года значительно меняется. Как отмечено выше, режим уровней грунтовых вод и действие дренажа в основном зависят от гидрометеорологических условий невегетационного пе­ риода, когда испаряемость снижается до минимума.

Наибольшая переувлажненность и, следовательно, наиболее продолжительное стояние высоких уровней грунтовых вод в усло­ виях Прибалтики наблюдается весной. Продолжительность за­ топления грунтовыми водами верхнего метрового слоя почвы (T’o-ioo) в весенний период в среднем составляет 39% всего вре­ мени этого периода. По продолжительности затопления данного слоя почвы далее следуют осень (37%), зима (22%) и лето (9%). В отдельные годы эта последовательность нарушается и прини­ мает совершенно другой вид. Так, в 1958-59 г. на Кандавском опытном участке наибольшая продолжительность стояния уров­

слоя почвы больше в тех районах, где больше величина дренаж­ ного стока (табл. 49), т. е. в районах с более влажным климатом. Так, продолжительность стояния уровней в верхнем метровом слое почвы на Римейкском участке в среднем составила 38%, на Кокнесском участке — 24% и Кандавском участке лишь 16% всего времени.

Таким образом, разница в величине Т0-юо между северной и западной частями Латвийской ССР является более чем двукрат­ ной. При этом наибольшее различие в продолжительности стоя­ ния высоких уровней для дренажных участков с различными кли­ матическими условиями наблюдается именно в критический, т. е. в весенний период (см. табл. 49). Характерно, что продолжитель­ ность затопления активного слоя почвы примерно одинакова при £ = 20 м в северной части республики и при £ = 30 м в южной и западной частях.

Из сказанного следует практически важный вывод, что для обеспечения одинаковой требуемой интенсивности осушения пе­ реувлажненных почв в районах с более коротким вегетационным и длинным невегетационным периодом и о большим количеством осадков необходима более густая дренажная сеть. Расчетную гус­ тоту дренажной сети для данного района можно определить в за­ висимости от величины расчетного дренажного стока (ем. главу V II).

93

5. Кривая депрессии. Зависимость между дренажным стоком и напором грунтовых вод

Характеристика кривой депрессии. Уже в прошлом столе­ тии было установлено, что на дренированных полях вследствие от­ вода дренажем избыточных гравитационных вод в полосе между двумя дренами образуется депрессионная поверхность уровней грун­ товых вод. Линия пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью называется кривой депрессии.

Для анализа кривой депрессии выделяются следующие пока­

94

вод, режима испарения и транспирации, а также под влиянием водоотводящего действия дренажа кривая депрессии беспрерывно

уровня воды в открытых водотоках в колебаниях кривой депрессии можно выделить два основных режима:

Кроме того, имеется промежуточный режим, когда

При отсутствии оттока грунтовых вод в более глубокие слои скорость колебания кривой депрессии может быть выражена, со­ гласно работе [30], следующей зависимостью:

где qv — слой воды, достигающий путем инфильтрации кривой депрессии, см/сутки; q — сток из дрен, см/сутки; q{— потери грун­ товых вод вследствие испарения и транспирации, см/сутки; 6 — коэффициент водоотдачи почвы; ср — коэффициент депрессии; Т — время,сутки.

Положение и форма кривой депрессии, несомненно, характе­ ризуют режим питания дрен и гидрологическое действие дре­ нажа. Поэтому с самого начала исследований действия дренажа делаются попытки подобрать подходящую математическую зави­ симость для описания кривой депрессии. Эти зависимости широко использовались и используются сейчас для определения расстоя­ ний между дренами и расчетной нормы дренажного стока [3, 62, 74, 77, 263, 278, 293, 298].

Кривые депрессии исследовались довольно широко [56, 113, 133, 139, 207, 215, 220, 237]. Учеными разных стран предложены

95

многочисленные уравнения кривой депрессии. Так, по X. Дарси кривая депрессии может быть выражена уравнением параболы. По И. Роте [278] она является эллиптической кривой с уравне­ нием

зуются уравнениями гиперболы или логарифмики. Для условий

/71=1/3 — 1/4.

Учитывая неравномерность движения фильтрационного потока в дренажном поле, многие ученые [6, 62, 74, 105, 220, 249, 263] в своих расчетах используют более сложные зависимости кривых депрессии.

В начале 50-х годов значительные исследования кривых де­ прессии на тяжелых дерново-карбонатных почвах Латвийской ССР провел Э. Э. Гайлис [30]. Он пришел к выводу, что поиски урав­ нения кривой депрессии не имеют практического значения, так как эта кривая в каждом профиле имеет бесконечное число поло­ жений и, следовательно, бесконечное число уравнений. Такого же мнения придерживается П. Б. Свиклис [113]. Он указывает, что выведенные разными авторами математические уравнения кривой депрессии (эллипс, парабола, гипербола, логарифмика) более или менее правильно отображают фактические кривые депрессии только в частных случаях. Основной причиной этого является деформация кривой депрессии во времени. Анализируя изменения форм кривых депрессии для фазы спада паводкового дренажного стока, Свик­ лис пришел к выводу, что форма фактической кривой депрессии зависит от ряда переменных факторов, изменяющихся с каждым паводковым циклом действия дренажа.

Вышеупомянутые исследования кривой депрессии и составление уравнения этой кривой были проведены лишь для фазы спада па­

водкового дренажного стока, т. е. при - ^ -< 0, не обращая вни­

мания на другую фазу паводкового цикла, т. е. фазу подъема стока

^ ^ >0^ . Исследования автора показали, что фазой подъема

96

стока при анализе кривой депрессии пренебрегать нельзя, так как в противном случае можно получить не совсем верные выводы.

Кривая депрессии в фазах подъема и спада паводкового цикла действия дренажа. При анализе кривой депрессии на легких су­ глинистых дерново-подзолистых почвах нами [165, 170] в первую

h см

Рис. 33. Кривые депрессии, наблюдаемые в си­ стеме среднеглубокого (1,2 м) систематического дренажа при различных величинах модуля дре­ нажного стока. Кокнесе.

очередь было обращено внимание на то, что определенному поло­ жению (подъему) кривой депрессии h не всегда соответствует одна определенная величина модуля дренажного стока q. По данным натурных наблюдений при повышении кривой депрессии значения модуля дренажного стока не всегда увеличиваются, и наоборот. Что это действительно так, можно наглядно убедиться на рис. 33, где приведены некоторые кривые депрессии, наблюдаемые при среднеглубоком систематическом дренаже Кокнесского опытного участка. Например, 2/1 1959 г. на этой дренажной системе модуль

дренажного стока q равнялся 0,530 л /(с-га). Максимальная вы­ сота подъема кривой депрессии h при Зтом значении q была 25 см. В последующие сутки имело место уменьшение q, но высота подъ­ ема кривой депрессии в это время до 7/1 включительно была больше, чем 2/1. Так, 4/1 величина h равнялась 52 см при значи­

Кривая модуля дренажного стока. Кривые зависимости между дренажным стоком и напором грунтовых вод, или кривые модуля дренажного стока q = f(h), начал изучать X. А. Писарьков [102]. Он установил следующую формулу для этой кривой:

98

Ж- Гийон [237] предложил следующую зависимость между ве­ личинами <7 и h:

зовем фазой подъема кривой модуля дренажного стока и обозна­

Из рис. 35 следует, что во время одного цикла действия дренажа одинаковый по величине дренажный сток формируется при различ­ ных напорах грунтовых вод.

Форма кривой модуля дренажного стока q = f(h) в некоторой степени аналогична форме известных в гидрологии петлеобразных