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

В результате подъема верхних слоев почвы зимой и последую­ щего довольно резкого их опускания, вызванного таянием внутрипочвенного льда весной, повреждается корневая система зимующих растений. Часть корней обрывается, часть оказывается на поверх­ ности почвы при ее опускании. По наблюдениям О. Саука [112], на тяжелых почвах корни люцерны весной иногда обнажаются на 10—15 см. Как и следовало ожидать, на недренированных почвах эти явления выражены значительно сильнее, чем на интенсивно дре­ нированных. Таким образом, промерзание почвы при высокой сте­ пени влажности и высоком стоянии уровней грунтовых вод приносит значительный ущерб. Но промерзание, а особенно глубокое про­ мерзание относительно сухой почвы является и положительным фактором, так как способствует ее разрыхлению и образованию структурных агрегатов.

Дренированные почвы вследствие их меньшей влажности про­ мерзают значительно глубже, чем недренированные. Так, в 195960 г. на Римейкском опытном участке при глубоком (1,5 м) систе­ матическом дренаже средняя мощность мерзлого слоя достигла 75 см, а на недренированном поле — лишь 48 см. Глубже всего про­ мерзает засыпка дренажной траншеи, а также почва вблизи дрен, где имеет место наиболее глубокое и устойчивое понижение уровня грунтовых вод и наиболее устойчивая влажность почвы. Эта зако­ номерность объясняется тем, что вода имеет примерно в 5 раз большую теплоемкость [77] и значительно меньшую теплопроводимость по сравнению с частицами грунта, а главным образом тем, что с образованием внутрипочвенного льда освобождается большое количество (80 кал/г) скрытой теплоты [98].

4. Формирование дренажного стока при наличии мерзлоты

Известно, что при промерзании почвы ее водопроницае­ мость резко уменьшается. В связи с этим необходимо выяснить, мо­ жет ли дренаж, находящийся под мерзлым слоем, оказать актив­ ное гидрологическое действие, т. е. справляется ли дренаж со своей водоотводящей задачей в критический весенний период; весеннее снеготаяние обычно происходит до оттаивания почвы.

Многолетняя практика по дренированию почв в различных стра­ нах, в том числе такой северной стране, как Финляндия, показы­ вает, что частый дренаж, находящийся под мерзлым слоем, доста­ точно хорошо сбрасывает воду не только в теплый, но и в холод­ ный зимне-весенний период.

Вопросы водопроницаемости мерзлых почв изучались в течение многих лет [96, 112, 166, 248]. Установлено, что почва хорошо впи­ тывает воду, если она до снеготаяния имела низкую влажность. Од­ нако переувлажненная до замерзания почва, поры которой запол­ нены льдом, воду почти не пропускает. В этой связи интересны данные В. Ф. Маслова, полученные на мерзлых тяжелых суглини­ стых почвах Сибири. Оказалось, что при влажности 31% НВ эта

201

почва имеет водопроницаемость 0,17 мм/мин, при 63, 79 и 95% соот­ ветственно 0,07; 0,01 и 0,00 мм/мин. По его исследованиям, почва, ушедшая под зиму с влажностью 0,6 НВ (при замерзании влаж­ ность увеличивается до 0,7—0,8 НВ), весною практически непро­ ницаема для талой воды. Здесь и ответ на поставленный вопрос: мерзлый слой интенсивно дренированной почвы водопроницаем, а недренированной или экстенсивно дренированной почвы филь­ трует слабо или практически вообще не фильтрует. Поэтому на по­ следних весной наблюдается длительное застаивание верховодки, чего не случается на хорошо дренированных почвах.1

Степень водопроницаемости мерзлых почв можно характеризо­ вать величиной внутрипочвенного (дренажного) стока. В этом от­ ношении в первую очередь надо упомянуть исследования, прове­ денные Л. Кесо [248] в Финляндии. Он установил, что на мерзлых тяжелых почвах фактический дренажный сток может превышать 1,5 л/(с-га), т. е. быть в несколько раз больше расчетного.

На мерзлых глинистых почвах Земгальской низменности Лат­ вийской ССР максимальный дренажный сток достигает 2,0 л /(с-га). По данным О. Саука [112], на Гараушском опытном участке на мерзлых суглинистых почвах величина дренажного стока значи­ тельно превышала 2 л/(с • га).

А. А. Ксензов и М. А. Синдеева отмечают, что в 1968 г. на тя­ желосуглинистых почвах Олонецкой равнины в Карелии при нали­ чии мерзлоты глубиной до 65 см дренажем было отведено 123 мм воды, что составляет около 63% годового дренажного стока.

Как видно из приведенных в табл. 25, 26 и 27 данных, наиболь­ ший дренажный сток на суглинистых и супесчаных почвах Латвий­ ской ССР наблюдается в период весеннего снеготаяния при нали­ чии мерзлоты. При этом в условиях довольно глубокого промерза­ ния (50—70 см) на этих почвах максимальный дренажный сток в 7—8 раз превышал величину расчетного дренажного стока, дости­ гая 5 л/(с-га) (1960 г.). Следовательно, мерзлый слой дренирован­ ных супесчаных и суглинистых почв имеет достаточную водопрони­ цаемость для обеспечения очень интенсивного гидрологического действия дренажа. Однако по мере увеличения мощности мерзлого слоя абсолютная величина наибольших модулей дренажного стока, как и следовало ожидать, значительно уменьшается [166].

Непосредственными измерениями установлено, что при наличии мерзлого слоя в принципе сохраняются те же закономерности из­ менения паводкового дренажного стока в зависимости от степени дренирования (Е и t) и других факторов, что и при оттаявшей

1 Водопроницаемость промерзшей почвы определяется не только наличием свободных от льда пар, но и «запасом холода» в ней, зависящим от ее темпе­ ратуры, объемного веса, начальной влажности и других факторов. При боль­ шом запасе холода почва, хорошо водопроницаемая в начальный момент, может стать совершенно непроницаемой вследствие закупорки пор вновь образующимся льдом. Предвесенние температуры недренированных и дренированных почв раз­ личаются незначительно, однако влажность последних значительно ниже и по­ этому образование в них «запирающего слоя» — маловероятно (см. И. Л. Калюж­ ный и др. — «Метеорология и гидрология», 1972, № 1) {Прим. ред.).

202

почве. Как в одном, так и в другом случае с уменьшением Е вели­ чина наибольших модулей паводочного стока возрастает, а при увеличении t, наоборот, — уменьшается [166].

Следует подчеркнуть, что при отводе весенних талых вод при наличии мерзлоты дренаж играет важную роль не только на легких суглинистых, но и на тяжелых глинистых почвах. Так, в 1965 г. на Дегумниекском опытном участке при глубине промерзания слабо­ проницаемой дерново-глеевой почвы более 0,5 м максимальный сток

47—63% суммарного дренажного стока. При этом основная масса воды весной отводилась до оттаивания почвы. По данным Бальчюнас и Лукянас [17], в условиях Литовской ССР 50—70% стока из дрен происходит до полного оттаивания почвы.

Из сказанного следует, что в климатических условиях Латвий­ ской ССР и Финляндии дренаж, заложенный на достаточной глу­ бине при достаточной густоте дренажной сети, хорошо справляется со своей водоотводящей задачей и на легких, и на тяжелых почвах в любой период года, в том числе в зимне-весенний при наличии мерзлоты, мощность которой не превышает глубины закладки дрен.

5. Термический режим почвы

Изменение водного режима почвы под влиянием дре­ нажа оказывает определенное влияние на температуру почвы. Тер­ мический режим почвы зависит от соотношения твердой фазы в ней, воды и почвенного воздуха, теплоемкость и теплопроводность которых сильно различаются. Но решающую роль играет содержа­ ние воды благодаря ее высокой теплоемкости.

Первые результаты исследований термического режима почв, которые получил Вольни, свидетельствуют о большой терморегу­ лирующей роли дренажа. На дренированной почве он получил тем­ пературу почвы на 7° С выше, чем на недренированной. А. Н. Кос­ тяков [77] указывает на несколько меньшую разницу температур в пользу дренированных почв, т. е. порядка 2—6° С.

По нашим исследованиям, на легких суглинистых и супесчаных почвах в отдельные годы температура верхних горизонтов пахот­ ного слоя (—5 см) дренированной почвы весной на 1,0—1,6° С выше недренированной. В нижних горизонтах этого слоя разница бывает больше, достигая 2,2° С. На тяжелых суглинистых и глинистых поч­ вах положительное влияние дренажа на процесс прогревания про­ является сильнее. Так, наблюдалось, что на этих почвах весной тем­ пература недренированного участка на глубине 5 см на 1,4—2,3° С, а на глубине 20 см — на 3,3—4,2° С ниже, чем на дренированных участках [145]. При этом разница в температуре между верхним (5 см) и нижним (20 см) горизонтами на недренированной участке была 2,1° С, а на дренированных — 0,5—1,0° С, что свидетельствует о более равномерном прогревании дренированных почв по глубине. Характерно, что к концу мая разница в температурах недренирован­

203

ных и дренированных почв постепенно исчезает. В конце летнего периода температура дренированной почвы становится ниже недренированной. В условиях Литовской ССР аналогичные результаты получил А. Думбляускас [37]. По его данным, зимой дренированные минеральные почвы имеют более низкую температуру, чем недренированные (табл. 93). Это объясняется тем, что дренированные почвы имеют более низкую влажность и малую теплоемкость, что соответственно сказывается на темпе нагревания и остывания этих почв.

Таблица 93

Минимальная температура суглинистой почвы в зимний период 1964 г.

Глубина почвенного горизонта, см

Положительная разница в температуре в пользу дренированных минеральных почв весной отмечается только в те годы, когда гидро­ метеорологические условия обеспечивают интенсивный процесс на­ гревания почв и недренированная почва промерзала в сильно влаж­ ном состоянии [145]. Несмотря на более глубокое промерзание, дренированные минеральные почвы весной оттаивают на 2—4 суток раньше, чем недренированные. Более быстрому оттаиванию и рав­ номерному прогреванию дренированных почв способствует продви­ жение талых вод через почвенный профиль, в том числе через мерз­ лый слой, к дренам.

В Бейбежской ОМС ЛатНИИГиМ в период 27/IV—27/V 1971 г. температура недренированной торфяной почвы, по сравнению с дре­ нированной, на глубине 5 см была на 3,3° С ниже, а на глубинах 10 и 15 см соответственно на 2,0 и 1,3° С ниже. В соответствующий пе­ риод на супесчаной почве разница температуры в слое 5—15 см до­ стигла 2,5° С.

При изучении термического режима интенсивно и экстенсивно дренированных торфяных почв весьма интересные результаты по­ лучил В. Я. Черненок [158]. Он установил, что при глубине за­ кладки дрен 1,7—2,0 м оттаивание почвы наступает на 10—12 суток раньше, чем при глубине закладки 0,8—1,2 м. Так, полное оттаива­ ние глубоко дренированной почвы на пойме р. Яхромы в 1964 г. про­ исходило 1/VI, а мелко дренированной — 10/VI, в 1965 г. соответ­ ственно 1 /VI и 10—12/VI. Для полного оттаивания глубоко дрени­ рованной почвы требуется накопление суммы положительных

204

температур на 160—170° меньше, чем мелко дренированной почвы. Установлено также, что температура активного слоя торфяной почвы в вегетационный период при глубоком дренаже в среднем на 0,5—2,0° С выше, чем при мелком. По данным Д. Г. Головко [34], разница в температуре при глубоком (200—225 см) и мелком (85— 90 см) осушении торфяной почвы еще больше, т. е. в первом случае по сравнению со вторым на 1,5—2,5° С выше.

6. О глубине закладки дрен в зависимости от предполагаемой мощности мерзлого слоя

составляет 1,0—1,1 м [120]. В годы с более холодным зимним перио­ дом или маломощным снежным покровом глубина промерзания до­ стигает и даже превышает 1,2—1,3 м. При этом надо учесть, что дренированные почвы промерзают в среднем на 25—40% глубже, чем недренированные. При таких условиях мелкий дренаж (0,7— 1,0 м), рекомендуемый многими учеными на тяжелых почвах, будет находиться в мерзлом слое почвы. Но дренаж, находящийся в этом слое, активно действовать не может. Дело в том, что в мерзлом слое в дренах образуются пробки льда [35, 37, 68, 80], заполняющие живое сечение дрен. Кроме того, стыковые зазоры между отдель­ ными дренажными трубками заполняются ледяными включениями, преграждающими путь воде, поступающей в дрены. В условиях Прибалтики ледяные включения в дренах в основном образуются при проникновении в них гравитационной воды во время зимних от­ тепелей. Однако они могут образоваться и также в период весен­ него снеготаяния. Так, по наблюдениям Э. А. Бишофа [22], в Барабинской низменности перед началом снеготаяния полости дрен были свободны от льда, а после снеготаяния гончарные, а также крото­ вые дрены в зоне промерзания оказались забитыми льдом. Исходя из уравнения Фурье, Бишоф получил следующее уравнение полного замерзания воды в дрене:

А=

(136)

где Гдр — радиус дрены, см; 4 “ средняя температура почвы в зоне закладки дрен, °С; Ср — объемная теплоемкость почвы, кал/см3°С;

h—%

зам

2] (— t ) — сумма температур грунта на внешней стороне пер-

h=0

вого кольцевого слоя грунта, окружающего дрену толщиной Дб, с момента времени k = 0 до k = r3au (величину Дб можно принять равной 2 см); тзам— время полного замерзания воды в дрене при начальной температуре почвы, равной —1°С.

205

Отрезок времени, для которого вычисляется изменение t.i-l, ft’

К— теплоемкость, кал/ (см • с °С).

В результате исследований Э. А. Бишоф пришел к выводу о не­ обходимости укладывать дрены ниже максимальной глубины про­ мерзания почвы. Большую нормативную глубину закладки дрен для районов Латвийской ССР с более глубоким промерзанием почвы рекомендует П. Б. Свиклис [120].

Понятно, что до исчезновения ледяных пробок и включений, т. е. до оттаивания почвы на глубине дренажных трубопроводов, дренаж не может отвести избыточную влагу. Следовательно, такой дренаж не действует ни во время зимних оттепелей, ни во время весеннего половодья. В то же время дренаж, находящийся под мерзлым слоем, согласно вышеприведенным данным, действует до­ статочно интенсивно.

Из сказанного следует, что мелкий дренаж, закладываемый в зоне промерзания почвы, является нецелесообразным. Исключе­ нием являются северные области страны, где глубина промерзания настолько велика, что дренаж практически не может быть заложен под мерзлым слоем. Здесь, видимо, имеет смысл закладывать дре­ наж более мелко, так как почва до уровня мелких дрен весной от­ таивает раньше и мелкий дренаж начинает действовать раньше, чем глубокий.

При укладке дрен ниже зоны промерзания их целесообразно заложить по возможности глубже под мерзлым слоем.

При промерзании почвы уменьшается ее фильтрационная спо­ собность. В результате этого возрастает величина так называемого начального напора грунтовых вод, при котором начинается (и пре­ кращается) дренажный сток. Обозначим начальный напор для та­ лой почвы через Амин, а для мерзлой — через А^ин. Получим, что

Амин<А' ■Если дрены заложены непосредственно под мерзлым слоем, величина А^ид может приближаться к глубине закладки дрен

(ti). При таком условии уровень воды в период таяния снега и почвы будет стоять высоко, т. е. дренаж не будет эффективен.

При укладке дрен на некоторой глубине под мерзлым слоем мо­ жет осуществляться значительное понижение уровня грунтовых вод как во время зимних оттепелей, так и в период прохождения весен­ них паводков. Укладка дрен более глубоко под мерзлым слоем осо­ бенно необходима на тяжелых слабопроницаемых почвах, где даже при талом ее состоянии величина начального напора достигает 0,6— 0,8 м. Учитывая это, нетрудно объяснить причины низкой эффек­ тивности дренажа, которая зачастую имеет место на тяжелых поч­ вах. Вышесказанное, разумеется, не относится к северным районам

2 0 6

СССР, где почвы промерзают весьма глубоко, т. е. где укладку дрен под мерзлым слоем практически нельзя осуществить. Вопрос об оптимальной глубине закладки дрен более подробно рассмотрен

вглаве VII.

7.Практическое значение гидрологического действия дренажа во вневегетационный период

Как отмечено выше, активное гидрологическое действие дренажа на минеральных периодически переувлажненных почвах обычно наблюдается лишь во вневегетационный, в основном в зим­ не-весенний период. Из-за глубокого залегания уровня грунтовых вод в летний вегетационный период маловодных и средних по вод­ ности лет дренажный сток практически отсутствует.

В результате сброса дренажем избыточных вод и уменьшения степени влажности в холодный период года в мерзлом слое дрени­ рованных почв накапливается значительно меньше избыточной воды, чем на недренированных и экстенсивно дренированных. С уве­ личением степени дренирования соответственно снижается интен­ сивность образования внутрипочвенного льда, а также вертикаль­ ное колебание верхних слоев почвы. Весной при оттаивании почвы и внутрипочвенного льда на недренированных и экстенсивно дре­ нированных полях образуются лужи, в которых озимые и многолет­ ние травы в какой-то степени повреждаются и даже погибают. На величине урожая сельскохозяйственных культур на этих полях отрицательно сказывается также обрыв корней растений при верти­ кальных колебаниях почвы. По данным П. Б. Свиклис [119], на недренированном участке Петерлаукских опытов погибло 25,0% ра­ стений озимой пшеницы, а на дренированном 2,1—8,5%, в зависи­ мости от степени дренирования. По данным В. К. Розенберг [110], в 1963 г. на недренированном поле Малпиского опытного участка количество продуктивных стеблей озимой ржи было на 40—43% меньше, чем на дренированном поле, вследствие чего снизился уро­ жай на 62%- На Руенском опытном участке при частом системати­ ческом дренаже количество продуктивных стеблей ржи было на 50% больше, а урожайность на 42% больше, чем при экстенсивном разреженном дренаже (£ = 36 м).

Вследствие повреждения корней и переувлажнения почвы в зим­ не-весенний период наблюдается уменьшение количества бобовых в травостое многолетних трав. Так, в 1959 г. на поле мелкого разре­ женного дренажа (£ = 30 м, / = 0,9 м) Кокнесского опытного уча­ стка после перезимовки осталось лишь 38% бобовых, а на полях среднеглубокого систематического дренажа (£ = 1 4 —20 м, t= 1,2 м) 75—59%.

В то же время интенсивный дренаж обеспечивает достаточно низкую степень влажности почвы до промерзания и тем самым бо­ лее глубокое ее промерзание, что положительно сказывается на структурообразовании. Если на недренированных и экстенсивно дренированных полях избыточные воды зимних оттепелей накапли­

207

ваются на поверхности почвы или в ее мерзлом слое, то при интен­ сивном дренаже основная часть этих вод сбрасывается дренажем даже при значительной мощности мерзлоты. Пониженная влаж­ ность почвы здесь благоприятно влияет на жизненные условия зимующей почвенной микрофлоры и микрофауны. На весьма интен­ сивно дренированных почвах гибель зимующих растений в резуль­ тате застаивания верховодки и образования внутрипочвенного и по­ верхностного льда наблюдается довольно редко. По исследованиям П. Б. Свиклиса, преимущество интенсивного более глубокого дре­ нажа особенно выявляется при неблагоприятных зимних условиях с большими колебаниями температуры воздуха, т. е. когда глубокие оттепели сменяются морозными периодами.

С точки зрения сельскохозяйственного производства самым важ­ ным преимуществом интенсивно дренированных почв является воз­ можность начала весенних полевых работ и посева на них на однудве недели раньше, чем на недренированных и слабо осушенных почвах. Как отмечено во введении, в условиях Прибалтики ранний посев в значительной степени решает судьбу будущего урожая [119]. О большом практическом значении гидрологического дейст­ вия дренажа во вневегетационный, а особенно зимне-весенний пе­ риод свидетельствуют также данные сельскохозяйственной эффек­ тивности (табл. 48, 72). Надо еще раз подчеркнуть, что на урожай­ ность сельскохозяйственных культур в маловодные годы с засуш­ ливым летом дренаж оказывает не меньшее влияние, чем в много­

Выводы к главе IV

1. В условиях Прибалтики активное регулирован нажем водного режима почв происходит в основном во вневегета­ ционный, особенно в зимне-весенний период, в течение которого имеет место наибольший дренажный сток. Установлено, что мерз­ лый слой дренированных почв водопроницаем, о чем свидетельст­ вуют большие модули дренажного стока, наблюдаемые во время зимних оттепелей и весеннего снеготаяния, происходящего, как правило, до оттаивания почвы. При относительно глубоком слое мерзлоты (0,5—0,7 м) на легких суглинистых почвах величина мак­ симального дренажного стока иногда в 7—8 раз больше расчетного стока. Величина фактического дренажного стока в мерзлых почвах сильно уменьшается по мере увеличения мощности мерзлого слоя и степени его влажности. Изменения дренажного стока в зависимо­ сти от глубины закладки дрен и расстояния между дренами в мерз­ лых почвах в принципе такие же, как на талых почвах при условии, если дрены находятся под мерзлым слоем.

2. В дренах, расположенных в мерзлом слое почвы, образуются ледяные пробки, препятствующие водоотводящему действию дре­

208

нажа. Такой дренаж бездействует во время зимних оттепелей и в весенний период вплоть до оттаивания почвы до глубины закладки дрен, т. е. в самый важный (критический) период. Следовательно, там, где это технически возможно, дренаж должен быть заложен глубже промерзания почвы. При этом надо учитывать, что глубина промерзания дренированной почвы в среднем на 30—40% больше, чем недренированной.

Дренированные минеральные почвы, по сравнению с недренированными, весной оттаивают обычно на 2—4 сутки раньше вслед­ ствие их прогревания талыми водами, продвигающимися через мерзлый слой к дренам. Интенсивно дренированные торфяные почвы оттаивают на полторы-две недели раньше, чем экстенсивно дренированные и недренированные.

В благоприятных метеорологических условиях температура дре­ нированной почвы весной на несколько градусов выше, чем недре­ нированной.

3. В течение холодного периода в мерзлом слое почвы, особенно недренированной, обычно накапливается весьма большое количе­ ство избыточной влаги за счет ее перераспределения из нижележа­ щих слоев, а также дождей и снеготаяния во время оттепелей. В от­ дельные годы в верхнем полуметровом слое мерзлоты недренированных минеральных почв Латвийской ССР накапливается до 150 мм избыточной влаги. В результате влажность мерзлого слоя

интенсивность ее внутрипочвенного обледенения меньше там, где ниже уровень грунтовых вод к началу промерзания почвы, а также в течение холодного периода.

Поэтому на интенсивно дренированных полях в результате сброса дренажем избыточных гравитационных вод максимальная влажность мерзлой почвы обычно в 1,5—2 раза ниже и количество накопленной в мерзлом слое избыточной влаги соответственно меньше, чем на экстенсивно дренированных и на недренированных полях. В первом случае внутрипочвенный лед в виде кристаллов заполняет лишь отдельные почвенные поры, а во втором случае обычно образуются более или менее толстые линзы и про­ слойки льда, резко снижающие водопроницаемость мерзлого слоя почвы.

4. Образование и последующее таяние внутрипочвенного льда вызывает вертикальные колебания верхних слоев почвы. На дрени­ рованных полях сколь-нибудь значительные колебания охватывают весь пахотный слой, а на недренированных полях — лишь самый верхний слой глубиной до 10 см. Максимальная амплитуда колеба­ ний, наоборот, значительно больше во втором случае. Таким обра­ зом, на недренированных полях удельное растяжение верхних слоев почвы в несколько раз больше, чем на дренированных.41