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

Рис. 53. Линии равного напора на тяжелых слабопроницаемых почвах для мелкого (0,9 м), среднеглубокого (1,2 м) и глубокого (1,5 м) дре­ нажа. Дегумниеки (по данным X. А. Смилга).

а — в начале паводкового цикла действия дренажа (9/IV 1969 г.); б — в период наибольшего подъема уровней грунтовых вод (24/IV 1969 г.).

закладки дрен до 1,5 м. Зона наиболее активного влияния дре­ нажа на водный режим почвы определяется формой кривых де­ прессии и, по данным X. А. Смилга, на полях с глубоким дрена­ жем значительно больше, чем при мелком дренаже.

Количественное соотношение стока через пахотный и подпа­ хотный слой ориентировочно можно определить исходя из следую­

пахотно-подпахотного горизонта, подпахотный слой в формиро­ вании дренажного стока вообще не участвует, а весь приток отво­ димых дренажем вод идет только по пахотному слою. В периоды же, когда пахотный слой освобожден от избыточных вод (^ Г г ), он, конечно, не может участвовать в формировании дренажного стока, а, следовательно, весь приток воды к дренам идет через подпахотный слой. Даже при таких условиях расчета получается, что до сих пор явно переоценивается роль пахотного слоя при фор­ мировании дренажного стока, о чем свидетельствуют приведенные результаты исследований (табл. 58, 59, 60).

Таблица 58

Роль пахотного слоя слабопроницаемых дерново-глеевых почв при формировании дренажного стока в многоводные годы в зависимости

от глубины закладки дрен. Сигулда

Таблица 60

Роль пахотного слоя в формировании дренажного стока на легких суглинистых почвах в зависимости от глубины закладки дрен

в многоводном 1961-62 г. Римейкас

На слабопронидаемых дерново-глеевых почвах Сигулдского опытного участка (коэффициент фильтрации 0,10—0,05 м/сутки) большая часть избыточных вод отводится дренажем без затопле­ ния грунтовыми водами пахотного слоя, т. е. через подпахотный слой. При этом характерно, что роль пахотного слоя в формирова­ нии дренажного стока резко уменьшается при замене мелкого дре­ нажа (0,8 м) среднеглубоким (1,2 м). Это вполне подтверждается результатами, полученными на очень слабопроницаемых (коэффи­ циент фильтрации 0,02—0,06 м/сутки) глинистых дерново-глеевых почвах Дегумниекского опытного участка.

Надо подчеркнуть, что при меньших значениях Е на очень сла­ бопроницаемых почвах глубокий дренаж (1,5—1,8 м) обеспечи­ вает настолько интенсивное регулирование водного режима, что затопление пахотного слоя в отдельные годы вообще не наблюда­ ется (см. табл. 59, 68). В результате сток через пахотный слой пол­ ностью отсутствует. Это явление еще более сильно выражено на легких суглинистых почвах, где при глубоком систематическом дренаже затопление пахотного слоя и сток через этот слой проис­ ходит только в отдельные многоводные годы [180]. Например, в многоводном 1961-62 г. на Римейкском опытном участке при глу­ боком дренаже (1,5 м) при затопленном пахотном слое было отве­ дено воды в 9 раз меньше, чем при мелком дренаже (0,9 м) (см. табл. 60). Аналогичные результаты получены на других дренажных участках.

В действительности роль пахотного слоя при формировании дре­ нажного стока еще меньше, чем это следует из данных таблиц 58, 59 и 60.1 Непосредственные измерения стока по слоям очень сла­ бопроницаемой почвы (Дегумниеки), проведенные X. А. Смилга [129], показали, что сверху и сбоку к дренам притекает только до 4% общего притока. Лишь в одном случае этот приток составил

13%.

1 Поскольку и в период затопления пахотного слоя часть дренажного стока проходит через подпахотный горизонт. (Прим, ред.)

132

При стоянии уровня грунтовых вод выше отметки пахотно-под­ пахотного горизонта сток через пахотный q1 и подпахотный q слои можно вычислять исходя из следующей ориентировочной зависи­ мости, приведенной в работе [92]:

я

где

h k

Т — мощность подпахотного слоя выше дна траншеи; уо — макси­

мальная глубина воды в пахотном слое; у о — то же, с учетом при­ веденной высоты капиллярной «каймы»; ki и k —коэффициенты фильтрации в пахотном и подпахотном слоях.

Однако, как отмечено выше, при достаточно частом и глубо­ ком дренаже уровень грунтовых вод редко поднимается до пахот­ ного слоя.

При реальном процессе формирования дренажного стока роль пахотного и подпахотного слоев можно оценивать по схемам, при­ веденным на рис. 54. В случае, если подпахотный слой вообще про­ пускает гравитационную воду, то, согласно существующей теории [3, 6, 27, 62, 105, 220, 249, 263], интенсивность гидрологического действия дренажа должна быть тем больше, чем больше напор грунтовых вод. Однако при одинаковой глубине верхней точки кривой депрессии напор при глубоком дренаже больше, чем при мелком.

Следует подчеркнуть, что для обеспечения достаточно интен­ сивного действия дренажа большой напор требуется именно в условиях меньшей водопроницаемости почв. Если на легких су­ глинистых и супесчаных почвах величина начального напора грун­ товых вод /гМин, при котором начинается дренажный сток, состав­ ляет 0,3—0,2 м, то на слабопроницаемых сильно оглеенных почвах величина /гмин иногда достигает 0,6—0,7 м. Принимая, что дренаж заложен, например, на глубине 0,9 м и /гМин = 0,65 м, согласно рис. 54, получаем Ямакс = 0,25 м. Следовательно, такой мелкий дре­ наж вообще не может осушать подпахотный слой слабопроницае­ мой почвы. В лучшем случае он со временем обеспечивает сброс избыточных вод из пахотного слоя. Таким образом, создается не­ верное впечатление о нецелесообразности применения дренажа на

133

слабопроницаемых почвах и о преимуществе поверхностного осу­ шения.

На самом деле уже при глубине закладки дрен /2=1,2 м (см. рис. 54) создается возможность понизить дренажем уровень грун­ товых вод до 0,50—0,55 м от поверхности земли (HMaKC = h — йМШ1). Как отмечено выше, такая глубина уровня является минимально необходимой для обеспечения работы сельскохозяйственных машин и механизмов. Следовательно, минимально необходимой глубиной закладки дрен при данной величине hMин является 1,2 м. Учитывая,

Рис. 54, Возможности осушения верхних слоев почвы при глубоком и мелком дренаже.

hмин — начальный напор грунтовых вод; Я м акс — максималь­

ное возможное понижение уровня грунтовых вод от поверхности земли.

что дренаж должен действовать и при промерзании верхнего слоя почвы, вследствие чего фильтрационная способность уменьшается и /гМИн соответственно возрастает (см. главу IV), необходимая глу­ бина дренажа в данных условиях, по-видимому, должна быть еще несколько большей.

Из сказанного следует, что если на хорошо водопроницаемых почвах минимально необходимую интенсивность осушения можно получить и мелким дренажем, то на слабопроницаемых почвах для этого необходимо применять более глубокий дренаж. Это положе­ ние подтверждает сравнительный расчет по формуле С. Ф. Аверья­

где Hi = T+d\ ho — наибольший подъем уровня грунтовых вод в се­ редине полосы между двумя дренами, м.

134

Другие обозначения — в главе I и на рис. 55.

Сравнительный расчет проведем при среднем для Латвийской ССР модуле расчетного дренажного стока, равном 0,8 л /(с-га), что дает <7= 0,0069 м/сутки. При такой величине q величина # ~

Вычисляем необходимую t при различных £ и k (табл. 61), принимая r = const = 3,0 м. Из табл. 61 видно, что на слабопрони-

Рис. 55. Расчетная схема для дренажа по С. Ф. Аверь­ янову.

цаемых почвах, имеющих £<0,1 м/сутки, необходимость глубо кого (^1,5 м) дренажа появляется уже при расстоянии между

135

Из данных сравнительного расчета также получается, что по мере увеличения t значительно увеличиваются нормативные Е. При этом влияние t относительно больше при меньшей водопрони­ цаемости почвы.

Целесообразность применения более глубокого дренажа именно на менее водопроницаемых почвах подтверждается также расче­ тами Г. И. Михайлова *, согласно которым с уменьшением коэффи­ циента фильтрации резко возрастает высота нависания грунтовых вод над дренами. При ^ = 0,05 м/сутки и Е, изменяющемся от 10 до 20 м, эта высота превышает 0,5 м. При этом автор подчерки­ вает, что в полевых условиях высота нависания значительно пре­ вышает свое теоретическое значение.

При определении глубины дренирования тяжелых слабопрони­ цаемых почв немаловажное значение имеет еще следующее об­ стоятельство. Как это отмечается в работах С. Ф. Аверьянова [2]

иВ. А. Ионата [62], движение воды в почве происходит не только

взоне полного насыщения, расположенной под уровнем грунтовых вод, но и в зоне, расположенной над этим уровнем, т. е. в зоне капиллярной каймы. Роль расхода капиллярной каймы в общем

расходе грунтового потока больше в более тяжелых почвах. По расчету Ионата за счет капиллярной каймы в дренажную сеть может поступать до 70% расхода, вычисленного без учета движе­ ния в капиллярной зоне. Он пришел к выводу, что в глинах и тя­ желых суглинках дренаж желательно укладывать на глубину, не меньшую высоты капиллярного поднятия, так как при меньшей глубине дрен «.. .кроме уменьшения действующих напоров основ­ ного потока не используется возможность дополнительного увели­

2 В. А. Ионат не указывает конкретной глубины закладки дрен в тяжелых почвах, однако его общую рекомендацию нельзя принимать безоговорочно: вряд ли целесообразно даже в глинистых грунтах закладывать дренаж на глубину

3—5 м. {Прим, ред.)

3 Расход потока в зоне капиллярной каймы можно определить и значительно

136

Высота подъема капиллярной влаги определяется по формуле

личина которого возрастает от 0,1 до 0,7 по мере уменьшения водо­ проницаемости почв.

Из уравнения (107) получаем

hT 1/Р

К(110)

при формировании дренажного стока также свидетельствует обра­ зование кривых депрессии в этом слое. Характерные кривые депрес­ сии, наблюдаемые при глубоком дренаже на тяжелых дерново-кар­ бонатных почвах Земгальской низменности, приведены, по данным П. Б. Свиклис [113], на рис. 57.

О. К. Саука [112] установил, что на тех же почвах формулу кривой депрессии в подпахотном слое с некоторым приближением характеризует уравнение эллипса, т. е.

У

137

где у — подъем кривой депрессии на расстоянии х от дрены; h — подъем кривой депрессии в середине полосы между двумя дре­

нами.

По Я- Е. Уйска [146], форма кривой депрессии на тяжелых дер­ ново-карбонатных почвах близка к форме эллипса в условиях интенсивной инфильтрации. При отсутствии инфильтрации форма этой кривой близка к квадратичной параболе.

Степень участия подпахотного слоя в формировании дренаж­ ного стока в определенной мере можно характеризовать коэффи­ циентом депрессии ф. В случае, если подпахотный слой при фор­ мировании стока не участвует, величина <р должна быть близка

К см

единице. Но, как видно из табл. 62, на тяжелых почвах коэффи­ циент ф фактически колеблется в пределах 0,64—0,88. В фазе спада уровней грунтовых вод коэффициент депрессии в среднем составляет 0,71, а в фазе подъема — 0,76. Судя по кривым депрес­ сии, процесс формирования дренажного стока на тяжелых дерново­ карбонатных почвах в принципе такой же, как на легких сугли­ нистых йочвах (см. п. 5 главы I).

Кривые депрессии образуются также на тяжелых очень слабо­ проницаемых дерново-глеевых почвах Лубанской низменности (рис. 58), чего не могло бы быть в случае, если избыточная вода к дренам двигалась только по пахотному слою и через траншей­ ную засыпку. Относительно небольшие значения коэффициентов депрессии ф говорят об активном участии подпахотного слоя при формировании дренажного стока (табл. 63). Из приведенных на рис. 58 кривых депрессии ясно видно положительное влияние за-

138

Таблица 62

Значения коэффициентов депрессии на глинистых дерново-карбонатных почвах Земгальской низменности. Петерлауки (по Я- Е. Уйска)

глубления дренажа на интенсивность регулирования режима уров­ ней грунтовых вод на этих почвах.

Образование кривых депрессии и их характерные изменения во времени свидетельствуют и о наличии грунтовых вод в подпахот-

Рис 58. Характерные кривые депрессии, наблюдаемые на тяжелых слабопроницаемых почвах, для частого (£=10 м) среднеглубокого (/=1,2 м) и систематического (£ = 20 м) глубокого (/=1,5 м) дре­ нажа. 1965 г. Дегумниеки.

ном слое весьма тяжелых почв (содержащих частицы физикальной глины до 75%). Об этом свидетельствует также характер линий равного напора, полученных измерениями при помощи почвенных пьезометров (см. рис. 53).

139