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

Таблица 56

Влажность верхних слоев легкой суглинистой почвы (в весовых процентах) в особенно засушливый период маловодного 1963 г. (£=20 м). Римейкас

Таблица 57

Влажность верхних слоев суглинистой почвы (в весовых процентах) в сухое лето 1963 и 1964 гг.

(По данным В. К. Розенберг [110])

дренажем связных минеральных почв отрицается и данными, по­ лученными в ФРГ [273].

Относительно меньшее проявление засухи на интенсивно дре­ нированных почвах объясняется тем, что эти почвы по сравнению с экстенсивно осушенными и неосушенными имеют большую струк­ турность и пористость. Исследования литовских ученых показы­ вают, что на дренированных почвах количество структурных агрегатов на 45—75% больше, чем на недренированных [11, 161]. Увеличение структурности и фильтрационной способности при дрени­ ровании почв отмечается и в зарубежной литературе .(X. Кунце

120

и др.). Увеличению структурности способствует глубокое промерза­ ние почвы при более сухом ее состоянии, а также переход почвенных коллоидов под влиянием осушения из состояния золей в состояние гелей. Увеличению структурности и пористости способствует и более глубокое проникновение в почву корней растений при интенсивном дренаже, а также более глубокое проникновение и более интенсив­ ная деятельность почвенных микроорганизмов. Важнейшим факто­ ром улучшения структурности интенсивно дренированных почв является усиленное накапливание органических веществ и свое­ временная обработка почвы. Установлено, что на интенсивно дре­ нированных полях многолетние травы второго года использования составляют на 55—96%, а озимая рожь на 40—70% больше кор­ невых остатков, чем на экстенсивно дренированных и недренированных полях [ПО]. При мелком расположении корней на слабо осушенных почвах растения сильнее испытывают засуху и потому, что в засушливые периоды иссушению подвергаются в первую оче­ редь самые верхние слои почв. Благодаря большей структурности и пористости интенсивно дренированные почвы способны аккуму­ лировать больше влаги в периоды паводков. Они имеют также меньшую непродуктивную испаряемость. Как отмечено выше, сум­ марное испарение на дренированных почвах в среднем на 15% меньше, чем на недренированных [36, 44, 148]. М. Жукаускас [44] установил, что наибольшая разница в суммарном испарении недренированных и дренированных почв, величина которой дости­ гает 26%, наблюдается именно в засушливые годы.

На интенсивно дренированных почвах культурные растения меньше страдают от засухи, по сравнению с недренированными и экстенсивно дренированными почвами, еще и потому, что весенние полевые работы и посев производятся здесь раньше, и до наступ­ ления засухи растения успевают развить более глубокую и мощ­ ную корневую систему.

Вопрос о положительном влиянии глубокого дренажа на вод­ ный режим почв в засушливые периоды более подробно освещен в работах С. Ф. Аверьянова [7] и др.

Выводы к главе I

1. По данным 12—14-летних исследований устано что в условиях Прибалтики дренажный сток является второй по величине (после суммарного испарения) составляющей расходной части водного баланса дренированных почв. На легких суглини­ стых и супесчаных почвах Латвийской ССР годовой дренажный сток составляет в среднем 150—250 мм, что соответствует при­ мерно 25—35% величины годовых осадков; в многоводные годы величина стока может превышать 400 мм. В 1961-62 г. в северной части республики при величине осадков 935 мм слой дренажного стока был больше 550 мм, а при более частом дренаже — больше 600 мм. Больший дренажный сток наблюдается в районах с более

121

влажным и прохладным климатом. Только в пределах такой отно­ сительно небольшой территории, как Латвийская ССР, величина годового дренажного стока для отдельных районов различается более чем в 2,5 раза. Несколько меньший дренажный сток наблю­ дается в Литве, и особенно в Белоруссии, где меньше осадков и больше испарение.

2. Величина дренажного стока значительно изменяется в зави­ симости от степени дренирования. При уменьшении расстояний между дренами Е примерно в 3 раза (от 40—36 до 14—12 м) объем годового дренажного стока возрастает в среднем в 1,7— 2,5 раза в зависимости от водопроницаемости почвы и глубины закладки дрен. Более резкое увеличение объема стока наблюда­ ется при уменьшении Е ниже 20 м.

При увеличении глубины закладки дрен t от 0,9 до 1,2 и 1,5 м объем годового дренажного стока возрастает в среднем на 30— 40%. Дальнейшее увеличение t, вызывающее, как правило, соответ­ ствующее увеличение глубины стояния одинаково обеспеченных уровней грунтовых вод, в маловодные и средние по водности годы может и не дать прироста объема дренажного стока.

3. В условиях атмосферного питания дренажный сток, опреде­ ляемый гидрометеорологическими условиями данного периода, имеет сильно выраженный периодический характер с резкими пи­ ками паводков.

В Латвийской ССР основной дренажный сток обычно имеет место в весенний период (март—май), в течение которого отво­ дится в среднем 40—50% общего количества отводимых дренажем вод. В отдельные годы наибольший дренажный сток имеет место осенью или даже зимой (при наличии частых оттепелей). Интен­ сивность действия дренажа в зимний период резко уменьшается с переходом от более теплого и влажного климата к более конти­ нентальному. Объем дренажного стока зимне-весеннего периода иногда превышает объем осадков всего холодного периода, так как в это время дренажем сбрасывается и часть избыточной влаги, на­ копленной в мерзлом слое почвы.

В летний период под влиянием испарения и транспирации уро­ вень грунтовых вод как на дренированных, так и на недренированных минеральных почвах обычно опускается на значительную глубину (1,5—2,0 м и больше) и дренажный сток отсутствует или появляется в отдельных случаях после сильных дождей. В усло­ виях Латвийской ССР сток за летний период (июнь — август)

всреднем составляет 3—8% общего годового дренажного стока.

4.Внутригодовое распределение и характер паводочного дре­ нажного стока в зависимости от расстояния между дренами Е изменяется сравнительно мало. Имеет место лишь соответствующее увеличение наибольших модулей стока при уменьшении Е. До­ вольно существенные изменения режима дренажного стока наблю­ даются в зависимости от глубины закладки дрен t. По мере уве­ личения t гидрограф паводочного дренажного стока становится более выровненным, т. е. избыточная вода сбрасывается более

122

равномерно при более низком пике паводка, а продолжительность паводочного стока обычно значительно возрастает.

Таким образом, при глубоком дренаже величина модулей дре­ нажного стока при малых значениях обеспеченности (/-* <1,0%) обычно меньше, чем при мелком дренаже, а при Р>10% , наобо­ рот, глубокий дренаж по сравнению с мелким дает значительно больший сток. В системах глубокого дренажа (1,5 м), по сравне­ нию с мелким (0,9 м), максимальный паводочный сток иногда наступает на несколько суток позже. Это объясняется тем, что мощность активного слоя почвы, освобожденного от гравитацион­ ных вод, в системах глубокого дренажа обычно в несколько раз больше, чем в системах мелкого дренажа.

5. Несмотря на значительный дренажный сток на территории Прибалтики, существенного различия в величине расходной части водного баланса для дренированных и недренированных почв здесь нет. Это подтверждает и отсутствие определенной связи между общим годовым стоком и площадью дренированных земель в бас­ сейнах малых рек.

Упомянутое объясняется тем, что на дренированных почвах, по сравнению с недренированными, в 2,2—3,5 раза меньше объем по­ верхностного стока, а также на 10—26% меньше суммарное испа­ рение. При этом характерно, что разница в величине испарения для дренированных и недренированных почв наибольшая в засуш­ ливые годы. В вегетационном сезоне вследствие усиленного непро­ дуктивного испарения влажность верхних слоев недренированных почв примерно такая же, как дренированных, а в самые сухие пе­ риоды даже несколько ниже. При засухе культурные растения больше страдают от недостатка влаги на недренированных почвах.

Из сказанного следует, что под влиянием дренажа происходят положительные изменения в водном балансе почв во времени: на дренированных полях влага из почвы (в виде дренажного стока) больше удаляется в невегетационный период, т. е. когда она для растений не нужна и для протекания благоприятных почвенных процессов даже вредна, а на недренированных полях расход влаги (в результате усиленного непродуктивного испарения) больше в ве­ гетационный период, когда она необходима для культурных рас­ тений и обычно ее не хватает.

6. При определении величины расчетного дренажного стока используются различные методы, а наиболее часто в мелиоратив­ ной практике эта величина принимается в зависимости от количе­ ства годовых осадков. Однако в условиях Прибалтики последний метод представляется недостаточно обоснованным, так как основ­ ными факторами, обусловливающими величину и режим дренаж­

ские условия в период снеготаяния.

При установлении расчетного модуля дренажного стока q дол­ жен быть использован принцип, применяемый для определения расчетного расхода для других гидротехнических сооружений.

1 2 3

Величину q рекомендуется определять в зависимости от величины фактического дренажного стока в расчетный период при определен­ ной оптимальной обеспеченности.

В результате совместного анализа всех основных показателей гидрологического действия дренажа, а также агроклиматических факторов установлено, что для минеральных почв Латвийской ССР расчетной является 2%-ная обеспеченность максимального сред­ него суточного дренажного стока периода весеннего половодья. По территории Латвийской ССР расчетный дренажный сток при нормативном дренаже колеблется от 0,4 до 0,9 л/(с-га). При уве­ личении глубины закладки дрен величину q можно несколько уменьшить.

7. На дренированных минеральных почвах при атмосферном пи­ тании под влиянием гидрометеорологических факторов и действия дренажа в течение года происходят сравнительно резкие колеба­ ния уровней грунтовых вод. Эти колебания наиболее резки в зим­ не-весенний период; летом уровень грунтовых вод обычно залегает относительно глубоко и активное регулирование его режима дрена­ жем происходит редко. Во влажные периоды года колебания уров­ ней грунтовых вод при глубоком и частом дренаже происходят в бо­ лее глубоких почвенных горизонтах, чем при мелком дренаже. В эти периоды при мелком дренаже наблюдается продолжительное стоя­ ние уровней, в пахотном слое почвы.

Наибольшая продолжительность высокого стояния уровней грунтовых вод наблюдается в весенний период. В Латвийской ССР в среднем за период исследований (с 1958 по 1971 г.) при средне­ глубоком (1,2 м) систематическом дренаже продолжительность затопления грунтовыми водами верхнего метрового слоя почвы весной составляет 39% всего времени этого периода, осенью —

37 %, зимой — 22 %, летом — 9% •

Установлено, что продолжительность стояния высоких уровней грунтовых вод больше в тех районах, где больше расчетный дре­ нажный сток. Для обеспечения одинаковой интенсивности осуше­ ния почвы всех районов республики расстояния между дренами должны быть дифференцированы в зависимости от фактического режима уровней грунтовых вод в данном районе, т. е. от величины расчетного дренажного стока.

8. Глубина залегания одинаково обеспеченных уровней грунто­ вых вод значительно возрастает, а продолжительность стояния вы­ соких уровней резко уменьшается по мере уменьшения расстояний между дренами. Но относительно еще большее влияние на режим уровней грунтовых вод оказывает глубина закладки дрен t. Уве­ личение t на 0,3 м (от 0,9 до 1,2 м) обеспечивает примерно такой же прирост интенсивности осушения, как двукратное уменьшение £ (от 30 до 14 м). Примерно одинаковый режим уровней грунто­ вых вод обеспечивает глубокий (1,5 м) разреженный дренаж при

устройства первого в 2,5 раза меньше второго.

124

При глубоком систематическом дренаже подъем уровней грун­ товых вод до пахотного слоя наблюдается очень редко. Средняя (за 13 лет) продолжительность затопления грунтовыми водами

глубокого дренажа при регулировании водного режима почв осо­ бенно выражены в многоводные годы.

9. Под влиянием дренажа резко уменьшается продолжитель­ ность переувлажнения почвы, а также величина одинаково обес­ печенной влажности почвы. Интенсивность регулирования дрена­ жем влажности почвы значительно возрастает по мере увеличения густоты дренажной сети, а особенно глубины закладки дрен. В си­ стемах глубокого систематического дренажа влажность легкой суглинистой почвы редко бывает выше предела наименьшей влагоемкости и механизированная обработка почвы весной обычно мо­ жет быть начата сразу после ее оттаивания.

Многочисленными наблюдениями установлено, что величина ми­ нимальной влажности интенсивно и глубоко дренированных связ­ ных минеральных почв в засушливые периоды не меньше, чем недренированных или экстенсивно мелко дренированных, т. е. переосушка этих почв дренажем не наблюдается. В результате дейст­ вия дренажа происходит ряд положительных изменений водно-фи­ зических свойств почвы, способствующих сохранению влаги. При частом и глубоком дренаже эти изменения охватывают более мощ­ ный активный слой почвы.

Существует определенная связь между глубиной стояния уров­ ней грунтовых вод и степенью влажности почвы. Характеристики режима уровней могут быть использованы для прогнозирования режима влажности почвы.

10. В условиях правильного сельскохозяйственного использова­ ния дренированных земель наилучшие экономические показатели на легких суглинистых и супесчаных почвах обеспечивает доста­ точно частый глубокий систематический дренаж. При увеличении глубины закладки дрен до Ц5 м наблюдается закономерное увели­ чение урожайности сельскохозяйственных культур, а также чистого дополнительного дохода от мелиоративных мероприятий и, следо­ вательно, коэффициента экономической эффективности. Срок оку­

нажа. Разреженный мелкий дренаж или вообще не окупается, или срок его окупаемости достигает и превышает 20—30 лет.

Интенсивный частый глубокий дренаж особенно оправдыва­ ется на хорошо окультуренных землях при возделывании пропаш­ ных и технических культур. Этот дренаж является наиболее целе­ сообразным с точки зрения механизации полевых работ и обес­ печения необходимого водного режима почв для интенсификации сельскохозяйственного производства.

125

Глава II

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДРЕНАЖА НА ТЯЖЕЛЫХ СЛАБОПРОНИЦАЕМЫХ ПОЧВАХ

1. Вопросы формирования дренажного стока

Пока еще не имеется общепринятой классификации почв по их водопроницаемости. П. Бенекке и М. Ренгер [205] предла­ гают к слабопроницаемым относить такие почвы, для которых ко­ эффициент фильтрации k, вычисленный по формуле Л. Ернста, ко­ леблется от 0,06 до 0,16 м/сутки. При &<0,06 м/сутки почвы отно­ сятся к очень слабопроницаемым. Ниже говорится в основном об осушении именно таких почв.

Вопросы осушения слабопроницаемых, а особенно очень слабо­ проницаемых почв, в течение долгих лет находятся в центре вни­ мания ученых и практиков. Но в вопросе о гидрологическом дей­ ствии дренажа на этих почвах в зависимости от степени дрениро­ вания и других факторов еще много неясностей. Некоторые авторы считают, что дренаж на тяжелых почвах является малоэффектив­ ным и применение его нецелесообразно. Широко распространено мнение, что на тяжелых слабопроницаемых почвах надо органи­ зовать поверхностный сток и сток по пахотному слою, применяя для этого мелкий разреженный дренаж или открытую осушитель­ ную сеть в сочетании с соответствующими агромелиоративными приемами (узкозагонная вспашка, профилирование, гребневание, грядование и др.). В тоже время в Прибалтике, а также в некото­ рых зарубежных странах эти почвы уже давно успешно осушаются систематическим гончарным дренажем в основном без применения агромелиорации. В последнее время систематический дренаж на тяжелых почвах успешно внедряется в производство и в северозападной зоне РСФСР, особенно в Ленинградской области, где в течение долгих лет целесообразность этого дренажа на данных почвах отрицалась.

Проблемы дренирования тяжелых слабопроницаемых почв очень тесно связаны с вопросом о роли пахотного и подпахотного слоя при формировании дренажного стока на этих почвах.

127

По мнению ряда ученых, на слабопроницаемых почвах движе­ ние гравитационной воды к дренам происходит практически только по поверхности земли и пахотному слою через более водопрони­ цаемую траншейную засыпку. Подпахотный слой из-за слабой его

организовать поверхностный сток и сток по пахотному слою, а от­ сюда следует вывод о целесообразности применения мелкого дренажа.

Однако имеются и другие взгляды. Так, X. А. Писарьков [103] подчеркивает, что при отводе дренажем избыточных вод имеет большое значение подпахотный слой, даже если скорость фильтра­ ции в этом слое очень мала и не превышает 0,003—0,005 м/сутки. В таком случае целесообразно применять на слабопроницаемых почвах систематический дренаж, при этом, согласно законам дви­ жения грунтовых вод в дренажном поле [3, 27, 56, 62, 105, 215, 263, 282], должен оправдать себя более глубокий дренаж.

Из сказанного следует, что вопрос о формировании дренаж­ ного стока очень тесно связан с глубиной закладки дрен. Поэтому, исходя из упомянутых противоположных концепций, на слабопро­ ницаемых почвах в литературе рекомендуется как мелкий, так и глубокий дренаж.

В начале XX в. в Голландии для слабопроницаемых почв неко­

мелкий дренаж при глубине закладки дрен от 0,7 до 1,0 м. Мелкий дренаж широко применяется, например, в Ленинградской области. Некоторые авторы, В. А. Ионат [62], В. А. Ковда [73] и другие, пришли к выводу, о необходимости применения глубокого дренажа именно на тяжелых почвах. Подобные же рекомендации имели место уже в начале XX в. в Швейцарии, Франции и др. [243, 293]. Надо отметить, что в Латвийской ССР мелкий дренаж (0,8—1,0 м) на тяжелых слабопроницаемых почвах в производственных условиях себя не оправдал, и в настоящее время на таких почвах широко применяется среднеглубокий дренаж (1,1—1,2 м).

Вопрос о целесообразности применения систематического или разреженного дренажа на слабопроницаемых почвах, так же как вопрос о глубине закладки дрен, не может быть решен без изу­ чения гидрологического действия дренажа на этих почвах и гид­ рологической роли пахотного и подпахотного слоя по данным как полевых, так и лабораторных исследований. По этому спорному вопросу ниже приводится ряд данных непосредственных наблюде­ ний, характеризующих интенсивность и эффективность различных видов дренажа на тяжелых очень слабопроницаемых почвах. Часть данных не требует особых комментариев и автор оставляет их для анализа читателей.

128

Соответствующими работами литовских ученых [20] установ­ лено, что при нормированных расстояниях между дренами вели­ чина дренажного стока мало зависит от механического состава почвы. Исследования, проведенные методом ЭГДА [204], показали, что характер гидродинамических сеток для дренированных легких и тяжелых почв различен. Из рис. 52 видно, что на тяжелых поч­ вах роль верхних ее слоев при формировании дренажного стока больше, чем на легких более водопроницаемых почвах. Однако по

Рис. 52. Гидродинамическая сетка притока грунтовых вод к дренам,

о - в легкой минеральной почве; б — в тяжелой минеральной почве.

полученной гидродинамической сетке видно, что подпахотный слой активно участвует при формировании дренажного стока и на тя­ желых почвах. Эти результаты модельных исследований вполне подтверждают выводы, полученные при изучении гидрологической роли пахотного и подпахотного слоя по данным натурных наблю­ дений в Латвийской ССР.

Участие подпахотного слоя тяжелых почв в формировании дре­

Из рис. 53 следует, что подпахотный слой весьма слабопроницае­ мых дерново-глеевых почв, имеющих коэффициент фильтрации 0,02—0,06 м/сутки, активно участвует в формировании дренажного стока как в фазе подъема, так и в фазе спада паводкового цикла действия дренажа. Роль подпахотного слоя этой почвы в формиро­ вании стока значительно возрастает по мере увеличения глубины