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

ных полях дополнительное увлажнение нужно не в меньшей мере, чем на дренированных, так как влажность недренированных почв в сухое время обычно не выше, а, наоборот, даже несколько ниже влажности дренированных почв.

Многочисленными исследованиями и долголетним практическим опытом установлено, что в условиях Прибалтики переосушение дренажем связных минеральных почв, а также болот со слабопроницаемым основанием не происходит. Интенсивный дренаж здесь способствует росту и развитию сельскохозяйственных культур и повышает их урожайность. Переосушение возможно лишь на пес­ чаных почвах и мелких торфяниках с хорошо фильтрующим осно­ ванием (песком, гравием). Но такие почвы дренажем осушаются довольно редко или же осушаются более мелкой сетью разрежен­ ного дренажа. В связи со сказанным необходимо указать на неко­ торые особенности водного баланса дренированных и недрениро­ ванных почв.

Дренажем отводится довольно значительное количество воды. Сброс этой воды происходит в основном тогда, когда она не нужна растениям. Летом дренажный сток обычно отсутствует. Однако на недренированных почвах расход влаги больше именно в вегетаци­ онный период за счет усиленного непродуктивного испарения. Уста­ новлено, что суммарное испарение с дренированных почв в среднем на 15% меньше, чем с недренированных [36, 44]. Следовательно, с недренированных почв влаги удаляется больше именно в тот пе­ риод, когда для культурных растений она очень нужна. Это и яв­ ляется основной причиной более острого дефицита влаги, часто на­ блюдаемого на недренированных полях. Кроме того, на дренирован­ ных почвах поверхностный сток в 2,5—3 раза меньше, чем на недренированной. Таким образом, учитывая испарение, суммарная вели­ чина расходной части водного баланса для дренированных и недре­ нированных почв существенно не различается и, как показывают соответствующие исследования, общий сток малых и средних водо­ токов фактически не зависит от степени дренирования их бассейна.

Основное значение дренаж в сельскохозяйственном производ­ стве имеет в зимний и зимне-весенний периоды. Главная роль дре­ нажа заключается: а) в удлинении периода вегетации сельскохо­ зяйственных культур; б) в обеспечении своевременной механизиро­ ванной обработки почв весной и осенью, а также посева и уборки урожая; в) в создании более благоприятного гидрологического ре­ жима почв во вневегетационном периоде для почвенной флоры и фауны, в результате чего улучшаются водно-физические и агрохи­ мические свойства почвы. По этой причине ниже при рассмотрении вопросов гидрологии дренажа и определении оптимальной степени дренирования внимание обращено на действие дренажа не в веге­ тационный, а главным образом в зимне-весенний период. В усло­ виях Латвийской ССР дренаж, обеспечивающий достаточно ин­ тенсивное осушение переувлажненных почв в этот период, вполне удовлетворяет требования к осушению в любой другой период года, в том числе в период осенних затяжных дождей.

21

Глава I

ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ДРЕНАЖА НА ЛЕГКИХ СУГЛИНИСТЫХ И СУПЕСЧАНЫХ ПОЧВАХ

1. Дренажный сток, объем и режим стока

Основы формирования дренажного стока. В виде дре­

нажного стока отводится перехваченная дренажем избыточная гра­ витационная вода. Установлено, что эта вода к дренам движется со всех сторон, и приток воды происходит по всему смоченному пери­ метру дрены, в том числе и снизу по линиям токов, перпендикулярным

Рис. 3. Гидродинамическая сетка грунтовых вод (по В. В. Ведерникову).

к поверхностям равного напора (рис. 3). Пьезометрический напор уменьшается с приближением к дрене, и движение грунтовых вод происходит в сторону убывающего напора. Таким образом, за ка­ кой-то промежуток времени Т к дренам притекает и перехватыва­ ется определенное количество воды.

Количество поступающей воды q на единицу длины дрены в об­ щем виде можно выразить уравнением

0)

где k — коэффициент водопроницаемости почвы; со — площадь по­ верхности равного напора, приходящаяся на единицу длины дрены;

22

dh

—------градиент напора, соответствующий данной поверхности рав- ds

ного напора.

Определим величину дренажного стока q для двух предельных случаев, т. е. когда дрена находится непосредственно на водоупоре

икогда водоупор залегает очень глубоко.

Впервом случае форма поверхностей равного напора является плоской, и ее можно охарактеризовать ординатой кривой депрес-

Рис. 4. Схема формирования дренажного стока при залегании дрены на водоупоре.

сии у. При таком условии удельный расход воды, поступающей на единицу длины дрены с одной стороны, согласно рис. 4, будет ра­ вен

k (Л2 - h\)

2

23

После сокращения получаем

Ч£

Так как величина ho обычно небольшая, ориентировочно можно написать

где р — средний слой воды, просачивающийся в единицу времени. После интегрирования получаем выражение

(8)

При х = — и У = Ь П0ЛУчаем

p ( ^ - J = k ( h 2- h 0)2 .

Приток воды с одной стороны

Во втором случае, т. е. когда водоупор залегает глубоко, можно принять, что расход воды, поступающей в дрену с одной ее сто­ роны (q), слагается из двух частей (рис. 5):

'7= <7о+<7ь

где qо — приток грунтовых вод ниже уровня заложения дрен; <71 — приток грунтовых вод выше уровня заложения дрен.

24

Принимая, что ниже уро­ вня дрен линии равного на­ пора близки окружностям [77], в сечении х

где ао — длина дуги окруж­ ности в сечении х.

Первая часть притока

%■ <13>

Вторую часть притока в общем виде можно написать

(Значение пьезометрического уклона поверхности депрессии р зависит от свойств почвы. По А. Н. Костикову [77], например, для супесей sinp' = 0,02—0,05, для суглинков sin р '= 0,05—0,10.)

Тогда

получаем

Ао)

(17)

In •

Рассчитывая дренаж на отвод инфильтрующихся осадков, урав­ нение (16) принимает вид

(18)

Интегрирование данного уравнения от х = — Д° х и от У = Ьо

до у дает следующее выражение [77]:

Т-Ч1+ )(У~Л°)=А4 1п^~W“"Г) • <19>

25

При y = h и х = — , а также учитывая, что x^>d, из уравнения

(19) получаем зависимость для определения притока воды с одной стороны дрены

Приток в дрену с двух сторон будет в 2 раза больше. Полученные уравнения для определения дренажного стока сле­

дует считать лишь ориентировочными, так как в природе линии равного напора очень редко будут иметь вид окружностей. Кроме того, на дренажном поле условия фильтрации и инфильтрации яв­ ляются функцией времени. Одинаковой величине напора в середине между дренами (h) не всегда соответствует одинаковая величина дренажного стока (q) . Причины этого явления проанализированы ниже.

Годовой дренажный сток. Дренажный сток является одним из трех основных показателей гидрологического действия дренажа, а также одним из основных компонентов водного баланса дрени­ рованных почв. Без проведения исследований дренажного стока нельзя определить величину нормы стока для гидравлических рас­ четов дренажных труб, а также оптимальные величины расчетных параметров дренажа Е я t.

Уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя для этих почв при атмосферном питании в сокращенном виде можно написать:

где Рио-—общее водопотребление на испарение и транспирацию

Q — дренажный сток; Qn — поверхностный сток; П0— осадки; ДК — объем водообмена между корнеобитаемым и подстилающим сло­ ями; ± Д 1Т'— изменение запаса влаги за определенный период вре­ мени; РИп—-испарение влаги почвой; Ри0— испарение выпавших осадков за время их нахождения на поверхности почвы и на расте­ ниях; Р т — транспирация растений; Пк — конденсация в корнеоби­ таемом слое паров из воздуха.

Так как дренажем сбрасывается основная часть избыточной воды, то объем годового дренажного стока должен быть больше в тех районах, где больше осадков и меньше суммарное испарение. Об этом свидетельствуют данные табл. 6. Так, при одинаковом рас­ стоянии между дренами, равном 20 м, и глубине закладки дрен t = = 1,2 м на Римейкском опытном участке, расположенном в север­ ной части Латвийской ССР, годовой дренажный сток Q в среднем

26

Таблица 6

Дренажный сток для участков опытного дренажа, расположенных в различных районах Латвийской ССР ( t = 1,2 м, £ = 2 0 м)

27

за 13 лет был в 1,6 раза больше, чем на Кокнесском участке, нахо­ дящемся в средней части республики. Еще более значительная раз­ ница в величине Q получается в северной и южной частях респуб­ лики (Петерлаукский участок). В первом случае дренажем за год в среднем отводится 262 мм, а во втором 86 мм избыточной воды (табл. 6 и 16), т. е. в 3 раза меньше. В Белорусской ССР, располо­ женной южнее, суммарный дренажный сток значительно меньше

(табл. 7).

Таблица 7

Средний дренажный сток на минеральных почвах в Белорусской ССР (по данным А. И. Богдановича и А. Н. Леушева)

Это и понятно, так как в среднем по Белоруссии осадков выпа­ дает на 50—100 мм меньше, а испаряется на столько же больше, чем в Латвии. Малый объем дренажного стока, т. е. около 50 мм, наблюдается также в Ленинградской области [68], причем зимой дренажного стока нет. Вероятно, это объясняется тем, что дренаж там закладывается мелко, т. е. в зоне промерзания, и глубоких от­ тепелей зимой практически не бывает.

Надо отметить, что в странах с мягким и влажным климатом (Англия и Голландия) объем годового дренажного стока значи­ тельно больше, чем в Прибалтике, и в среднем составляет 340— 370 мм. Наибольшее количество избыточной воды (40%) здесь от­

Таблица 8

Характеристика дренажного стока в различных странах (по данным А. И. Климко)

28

Таблица 9

Дренажный сток (мм) при атмосферном питании в зависимости от расстояния между дренами (Е) и глубины их закладки (t). Кокнесский участок

(колхоз «Кокнесе» Стучкинского р-на)

(в среднем по Латвийской ССР), дренажный сток при Е = 20 м до­ стигал 300 мм, а в отдельных районах республики даже 580 мм (см. табл. 6), превышая половину объема годовых осадков.

Еще больший объем дренажного стока Q наблюдается при меньших расстояниях между дренами. Например, на Кокнесском

(небольшой приток напорно-грунтовых вод) при уменьшении Е от 30 до 14 м величина Q возросла в среднем с 190 до 273 мм, или на 44% •

Закономерное увеличение Q по мере уменьшения Е наблюдается

Но по своей абсолютной величине объем стока в системах мелкого дренажа значительно меньше, чем в соответствующих системах среднеглубокого (1,2 м) и глубокого (1,5 м) дренажа [167, 170, 173].

Характерные изменения величины объема стока при уменьше­ нии Е видны на Салдусском опытном участке (табл. 11). На Римейкском опытном участке в среднем за период 1958—1965 гг. при

29