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

Характерно, что годовой дренажный сток Q на легких суглини­

= 20 м) при увеличении t от 0,9 до 1,5 м Q возрос от 188 до 258 мм, или на 37%. При разреженном дренаже (£' = 36 м) подобное увели­ чение дает еще больший прирост стока (табл. 13). Резкое увеличе­ ние Q по мере увеличения t наблюдается на Кандавском опытном участке (табл. 14), а также на опытном участке в Малпилсе [170]. Следует отметить, что при увеличении t более 1,5 м в маловодные и в средние по водности годы может иметь место снижение объема стока Q. Такое явление наблюдалось, например, в 1968-69 г. на Римейкском опытном участке при увеличении t от 1,5 до 1,8 м. При этом характерно, что уменьшение Q при данном увеличении t со­

Приведенные в табл. 6 данные свидетельствуют о том, что ве­ личина годового дренажного стока на легких суглинистых и супес­ чаных почвах в средней части Прибалтики в среднем составляет около 27% величины годовых осадков. Таким образом, по своей ве­ личине дренажный сток является вторым компонентом расходной части водного баланса дренированных почв после суммарного ис­ парения и транспирации (Рис)-

40

В условиях ровного рельефа (i'^2% ) суммарный поверхностный сток на дренированных полях по сравнению с дренажным стоком обычно незначителен и в условиях Латвийской ССР в среднем со­ ставляет 10—15% общего стока. Так, по наблюдениям И. Риекста, в совхозе «Берзе» Добельского района на крупной дренажной си­ стеме (77 га) суммарный объем стока в среднем за период 1966— 1970 гг. составил 102 мм, а поверхностный сток— 10 мм, т. .е. около 10% суммарного стока (табл. 15). В 1968 и 1969 гг. поверхностного стока на дренированных полях здесь вообще не было. По данным К. Башкис и А. Сакалаускас [21], для условий Литвы величина по­ верхностного стока составляет в среднем 16,5% общего стока.

Таблица 15

Дренажный и поверхностный сток на среднетяжелых суглинистых почвах в совхозе «Берзе» Добельского района Латвийской ССР (по данным И. Риекста1)

ников и осушаемых закрытым дренажем территорий в Латвийской ССР. Минск, 1972. (ООН, Международный симпозиум по гидрологии заболоченных территорий. 17— 24 июля, 1972). Отпеч. на множит, аппарате.

Характерно, что поверхностный сток весьма кратковременный и в условиях Прибалтики наблюдается почти исключительно в весен­ ний период во время снеготаяния, перед оттаиванием почвы. По­ верхностный сток в этот период составляет в среднем 95—98% го­ дового поверхностного стока.

На дренированных почвах поверхностный сток составляет в среднем 30—45% поверхностного стока на недренированных поч­ вах. Это подтверждают и другие исследования (рис. 7). Суммар­ ный сток на дренированных почвах по сравнению с недренированными в среднем в 1,7—2,2 раза больше. Однако, как отмечено выше, суммарное испарение при дренаже в среднем на 15% меньше, чем без дренажа [44], в результате чего в величине общего расхода влаги для дренированных и недренированных почв существенного различия нет. Косвенным подтверждением этого является то об­ стоятельство, что степень дренирования территории не оказывает существенного влияния на величину годового стока малых и сред­ них рек. На данное явление указывают Д. И. Лукянене, А. В. Алек-

41

санкин [9]; Б. С. Маслов [88]; В. М. Зубец и М. Г. Мурашко [52], А. Г. Булавко и др.

Соотношение между величинами дренажного и поверхностного стока, а также другими составляющими водного баланса дрениро­ ванных почв в значительной степени зависит от уклона поверхно­ сти земли, микрорельефа, хода метеорологических факторов, харак­ тера оттаивания почвы весной и др. Оно также зависит от степени дренирования. Как показывают наши наблюдения, величина поверх-

q л/(с-га)

Рис. 7. Гидрографы средних суточных модулей стока весеннего периода 1968 г. при уклоне поверх­ ности земли 3—4% (по данным В. Вишняускайте).

ностного стока уменьшается по мере увеличения степени дрениро­ вания (уменьшения Е и увеличения t). Видимо, этот фактор имеет значение при проектировании крупных дренажных систем, в пре­ делах которых величину поверхностного стока надо по возможно­ сти снизить.

Величины дренажного и поверхностного стока сильно зависят также от механического состава и степени оглеения. В Эстонской ССР сделана попытка определить норму дренажного стока в зави­ симости от степени оглеенности, как характерного показателя во­ допроницаемости почвы. Для определения нормы дренажного стока Э. Соовик [136] предлагает следующие формулы i:

1 Формулами (25) и (26) следует пользоваться осторожно, по возможности проверяя их другими методами. Во всяком случае использование их при крайних значениях коэффициента g (10,0 и 0,0) недопустимо. (Прим, ред.)

42

где q~r — годовая норма дренажного стока, л/(с-км 2); q~®—

норма дренажного стока вегетационного периода, л/(с-км 2); <7др5о — средний модуль дренажного стока при глубине уровня грунтовых вод 50 см от дневной поверхности в середине междренной полосы, л/(с-км 2); g -—условный показатель степени оглеенности, величина которого для глеевых почв 10,0—9,0, для сильно оглеенных 9,0— 6,0, для слабо оглеенных 6,0—3,0, для почв с признаками оглеения

3,0—0,0.

20

40

60

ВО

100

120

т

Рис. 8. Гидрографы модулей дренажного стока (1) и уровней грунтовых вод (2) при среднеглубоком (1,2 м) систематическом дренаже (£=20 м).

1958-59 г. Кокнесе.

Режим дренажного стока, его внутригодовое распределение.

Дренажный сток, обусловливаемый гидрометеорологическими усло­ виями данного периода, имеет сильно выраженный периодический характер, в чем наглядно можно убедиться на рис. 8.

Характеры внутригодового распределения дренажного стока и стока открытых водотоков в основном аналогичны. В обоих слу­ чаях наибольший сток обычно наблюдается в период весеннего сне­ готаяния. Характеры речных и дренажных паводков в принципе оди­ наковы также в осенний и зимний периоды. Однако летом дренаж обычно прекращает свое водоотводящее действие. В летний веге­ тационный период под влиянием испарения и транспирации уровень грунтовых вод как на дренированных, так и на недренированных минеральных почвах обычно опускается на глубину 1,5—2,0 м и

43

больше. При таких условиях дренажный сток, конечно, отсутствует (см. рис. 8). По сравнительно продолжительным наблюдениям на Петерлаукском опытном участке в южной части Латвийской ССР, дренажный сток летнего периода составляет лишь 2,9% годового дренажного стока (табл. 16). В средней, а особенно в северной ча­ сти Латвии (Римейкас), где климат более прохладный и влажный, удельный вес летнего дренажного стока несколько больше, чем

вюжной части (см. табл. 13). Во время интенсивного роста сельско­ хозяйственных культур дренажный сток наблюдается только в слу­ чае выпадения большого количества осадков, т. е. более 40—50 мм

втечение 2—3 суток. Дренажный сток в летний период, как пра­ вило, является очень кратковременным.

Таблица 16

Внутригодовое распределение дренажного стока (мм) на Петерлаукском опытном участке при среднеглубоком систематическом дренаже

(£ = 16 м, <=1,2 м)

Из приведенных на рис. 9 и 10 и в табл. 16 и 17 данных следует, что в среднем примерно 40—50% избыточной воды дренажем отво­ дится в весенний период (март—май). Иногда суммарный дренаж­ ный сток зимне-весеннего периода превышает количество осадков всего холодного периода. Это объясняется накоплением большого количества избыточной влаги в мерзлом слое почвы к началу весен­ него половодья. Подробно этот вопрос рассмотрен в главе IV.

44

В отдельные годы наибольший объем дренажного стока может иметь место и в другие периоды вневегетационного сезона. Так, в 1967-68 г. почти на всех участках опытного дренажа наибольший

53,0%, а при / = 1,5 м — 43,1—44,4% суммарного дренажного стока (табл. 17). В отдельные годы неравномерность внутригодового рас­ пределения стока при мелком дренаже выражена гораздо сильнее. Так, в марте 1959 г. мелким систематическим дренажем на Римейкском опытном участке было отведено 81%, а глубоким дренажем лишь 46% годового дренажного стока.

46

При мелком дренаже в начале паводков дренажный сток резко увеличивается, а на спаде паводкового цикла довольно резко па­ дает. При глубоком дренаже масса паводковых вод сбрасывается более равномерно обычно при более низком пике паводка (рис. 11),

вторных паводках.

Причины запаздывания и более равномерного распределения стока по времени при более глубоком дренаже следующие.

Согласно существующей теории движения грунтовых вод [3, 4, 6, 27, 59, 62, 105, 262, 263, 282], величина дренажного стока q зави­ сит от напора грунтовых вод А. Если фильтрационная способность одинакова для всего почвенного профиля, то как при мелком, так и глубоком дренаже равный по величине дренажный сток будет наблюдаться при одинаковой величине напора грунтовых вод.

47

В таком случае депрессионная кривая уровней грунтовых вод при глубоком дренаже должна находиться значительно глубже, чем при мелком дренаже (рис. 12). Что это действительно так, видно из ни­ жеприведенных данных.

При расположении кривой депрессии на разной глубине процесс подъема этой кривой на полях мелкого и глубокого дренажа будет различным.

Рис. 12. Схема формирования дренажного стока при мелком (О) и глу­ боком дренаже (t2) в начальный период инфильтрации поверхностных вод.

При появлении на полях избыточной воды (слой «е») последняя под влиянием силы тяжести начнет впитываться в почву. Впитыва­ ние можно рассматривать как первую стадию инфильтрации. Ско­ рость впитывания или поглощения по А. Н. Костикову [77]

где w — скорость поглощения воды в момент времени t; kt — коэф­ фициент водопроницаемости почвы в момент времени t\ It — гради­ ент напора; kH— коэффициент водопроницаемости данной почвы в первую единицу времени; а — показатель степени, изменяющийся от 0,3 до 0,8 в зависимости от свойств почвы и ее начальной влаж­ ности.

48

Из приведенной формулы следует, что скорость впитывания со временем постепенно убывает. 1 Это также следует из уравнения Пуазейля, если рассматривать процесс инфильтрации воды в почве

где V — объем жидкости, протекающей в единицу времени через ка­ пиллярную трубку; г — радиус капиллярной трубки; I — длина ка­ пиллярной трубки; г) — вязкость; p i— р2— разность давлений в конце трубки.

При вертикальном движении величина рi — р2 зависит от дефи­

цита поверхностного давления на нижнем конце трубки

веса колонны воды (рgl) и внешнего гидростатического давления над концом капилляра (рgh)\ здесь о — поверхностное натяжение воды, р — плотность воды, h — высота уровня воды над верхним концом капиллярной трубки.

Учитывая, что

Подставляя вместо разности p i— р2 ее значение, получаем уравнение для скорости нисходящего передвижения влаги в капил­ ляре

В начале инфильтрации, когда / мало, скорость инфильтрации большая. По мере увеличения глубины от поверхности скорость по­ тока уменьшается. Уменьшение скорости нисходящего потока вполне подтверждается данными экспериментов [109] (табл. 18).

В природных условиях при глубоком залегании водоупора ско­ рость инфильтрации воды в- почве ориентировочно можно опреде­ лить, исходя из закона Дарси:

1 Формула А. Н. Костикова — эмпирическая, приближенно описывающая про­ цесс инфильтрации, точное же решение дает уравнение Пуазейля. (Прим, ред.)