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

Таблица 18

Изменение условий инфильтрации по мере увеличения глубины промачивания почвы

По А. Н. Костикову, гидравлический уклон i на глубине I от по­ верхности определяется по формуле

где е — высота слоя воды на поверхности почвы; I — толщина слоя почвы, в которой происходит инфильтрация; Н0— капиллярный на­ пор; L — избыточное давление воздуха в почве (сверх атмосфер­ ного) .

В формуле (33) члены е, I, Н0 соответствуют членам рgh, рgl и

2 — формулы (31). Таким образом, Костяков вводит в уравнение

со временем приближается к коэффициенту фильтрации: v-*-k, т. е.

земли до поверхности грунтовой воды значительно короче, чем на полях глубокого дренажа (H i— Я2), инфильтрационные потоки быстрее достигнут этой поверхности и начнется повышение зеркала грунтовой воды. С повышением уровня грунтовой воды путь инфильтрационного потока все больше сокращается и, следовательно, скорость подъема уровня все более возрастает.

Кривая депрессии на поле мелкого дренажа особенно быстро поднимается при наличии повторных паводков, так как влажность1

1 Гидравлический уклон уменьшается быстрее, чем следует из формулы (33), главным образом потому, что по мере смыкания менисков просачивающейся воды с менисками почвенной влаги уменьшается капиллярный напор, т. е. член Я 0 очень быстро стремится к нулю. (Прим, ред.)

50

почвы после первого же паводка будет высокой; исследования по­ казывают, что в более влажной почве происходит и более быстрое продвижение инфильтрационных потоков.

метрический уклон этой кривой вблизи дрен, т. е. —— > —— (см.

рис. 12). Принимая, что движение грунтовых вод на дренированном поле является потенциальным, потенциал же скорости удовлетво­ ряет уравнению Лапласа

и коэффициент фильтрации при этом движении сохраняет свое зна­ чение, расход воды, поступающей в дрену с одной стороны, можно определить по формуле (17).

Согласно формуле (17), при увеличении напора и, следова­ тельно, пьезометрического уклона кривой депрессии вблизи дрен удельный дренажный сток должен возрастать. Если в начале па-

водкового цикла при одинаковом пьезометрическом уклоне Ау

на расстоянии х от дрены величина дренажного стока на полях мелкого и глубокого дренажа одинаковая, т. е. q' — q" (рис. 12), то после некоторого промежутка времени просачивания талых вод (АТ) вследствие подъема кривой депрессии на величину Д при мелком дренаже сток будет увеличиваться на Дq'. В результате q' + A q '^q " . Это и является основной причиной резкого увеличения стока в системах мелкого дренажа в начале паводкового цикла.

Натурные наблюдения показывают, что вследствие замедлен­ ного просачивания поверхностных вод при глубоком дренаже они часто вообще не достигают депрессионной поверхности глубоко за­ легающего уровня грунтовых вод, а вся вода аккумулируется в верхнем активном слое почвы. В то же время при мелком дренаже инфильтрационные потоки поднимают кривую депрессии выше от­ метки пахотно-подпахотного горизонта и способствуют формиро­ ванию интенсивного дренажного стока.

Из данного примера следует, что судить о интенсивности осу­ шения только по величине дренажного стока нельзя. В период ин­ тенсивной инфильтрации даже разреженный мелкий дренаж по упо­ мянутой причине кратковременно может дать значительно больший дренажный сток, чем частый глубокий дренаж, обеспечивающий активное регулирование водного режима в мощном почвенном про­ филе. При правильной оценке интенсивности и эффективности осу­ шения надо использовать и другие показатели гидрологического действия дренажа, т. е. режим уровней грунтовых вод и влажности почвы.

Продолжительность дренажного стока. По продолжительности дренажного стока Тс можно судить о роли дренажа при регулиро­ вании водного режима почв. Величина Тс в первую очередь зависит от конкретных гидрометеорологических условий данного года и от года к году меняется в широких пределах. Так, за период с 1957 по

1971 г. в средней части Латвийской ССР (Кокнесский опытный уча­ сток) при среднеглубоком дренаже (7= 1,2 м и £ = 20 м) продолжи­ тельность стока менялась от 48 до 223 суток в году. Средняя за 14 лет Тс здесь составляет 118 суток, или 32% времени (табл. 19). Наименьшая средняя продолжительность стока наблюдается в июне, наибольшая — в апреле.

q л/(с-га)

Рис. 13. Кривые обеспечения средних суточных модулей дре­ нажного стока для среднеглубокого (1,2 м) дренажа, имеющего различные расстояния между дренами Е. 1961-62 г. Кокнесе.

1 — £=14 м; 2 — Е - 30 м.

Расстояние между дренами Е на продолжительность стока су­ щественного влияния не оказывает. Однако в большинстве случаев наблюдается тенденция к уменьшению Тс с увеличением Е (см.

таб л .19).

Продолжительность дренажного стока Тс значительно возра­ стает при увеличении глубины закладки дрен t. Так, на Кокнесском опытном участке при £ = 14 м с увеличением t от 0,9 до 1,2 м вели­ чина Тс возросла на 23%• На Кандавском участке при £ = 20 м увеличение t от 1,2 до 1,5 м дало прирост Тс на 44% (табл. 20). На Римейкском опытном участке при глубоком систематическом дренаже продолжительность стока в среднем в 1,7 раза больше, чем при соответствующем мелком дренаже (табл. 20). Еще боль­ шая разница в продолжительности стока получается при глубоком

52

Таблица 19

Средняя продолжительность дренажного стока (в сутках и °/о) на легких минеральных почвах при глубине закладки дрен 1,2 м

Таблица 20

Продолжительность дренажного стока (сутки) в зависимости от глубины закладки дрен t

и мелком разреженном дренаже (£ = 36 м). В отдельные многовод­ ные годы в системах глубокого дренажа сток происходит непре­ рывно. Это свидетельствует о большом значении глубокого дре­ нажа при регулировании водного режима легких суглинистых и супесчаных почв.

5а

Обеспеченность дренажного стока. При выяснении влияния сте­ пени дренирования (£ и t) на режим дренажного стока и определе­ нии расчетного дренажного стока для каждого варианта дренажа составлялись кривые обеспеченности средних суточных модулей дренажного стока (см. рис. 13). Из этих кривых, а также табл. 21 и 22 следует, что величина модулей дренажного стока q равной обеспеченности значительно возрастает при уменьшении расстоя­ ния между дренами £. Так, в 1961-62 г. при обеспеченности Р = = 2,0% в варианте частого систематического дренажа (£=12 м) ве-

Таблица 21

Модули дренажного стока (л /(с-га )) при различных значениях обеспеченности в зависимости от расстояния между дренами. 1961-62 г. Римейкас

Таблица 22

частым и разреженным дренажем сокращается.

В этом можно убедиться из графика связи между равнообеспе­ ченными модулями дренажного стока и густотой дренажной сети

(рис. 14).

Благодаря большей мощности зоны аэрации и соответственно большей водовместимости почвы пик дренажного паводкового стока в системах глубокого дренажа менее высокий, чем в системах мел­

54

кого дренажа. Поэтому в первом случае, по сравнению со вторым, модули дренажного стока при малых значениях обеспеченности (Р < 1,0%) обычно меньше. Исключение бывает только тогда, когда почва перед большими паводками имеет влажность, близкую к наи­ меньшей (полевой) влагоемкости. В этом случае дренажный сток при мелком дренаже может быть меньше, чем при глубоком, неза­ висимо от величины обеспеченности (рис. 15).

При обеспеченности Р > 10% глубокий дренаж, как правило, дает значительно больший сток, чем мелкий (табл. 23).

Таблица 23

Модули дренажного стока (л/с -га)) в зависимости от глубины закладки дрен (Е —20 м). Римейкскии опытный участок

Зависимость между дренажным стоком в системах, имеющих различные степени дренирования. Связь между годовым дренаж­ ным стоком для систем среднеглубокого дренажа, имеющих раз­ личные расстояния между дренами Е, показана на рис. 15. Видно, что точки ложатся довольно близко к прямой. Связь между величи­ нами годового стока для этих двух систем определена, используя теорию корреляции.

55

q л/(с-га)

Корреляционная связь между годовым дренажным стоком для

ющих различные глубины закладки дрен. В обоих случаях величина коэффициента корреля­ ции больше 0,9 (табл. 24).

Таблица 24

Характеристика корреляционной связи между средними суточными модулями дренажного стока при различных Е и t

57

Чв'=и, л/Сс-га) Из приведенных данных следует, что показатели дренажного стока одной дре­ нажной системы могут быть использо­ ваны при прогнозировании стока в си­ стеме с другими Е и t.

2. Максимальный дренажный сток

Максимальный дренажный сток в зависимости от степени дренирова­ ния. Максимальный дренажный сток ха­ рактеризует способность дренажа отво­ дить избыточную воду в период наиболь­ шего притока. По величине максималь­ ного стока можно судить о водопроницае­ мости и водоотдаче почвы. Однако дан­ ных о максимальном стоке в литературе довольно мало.

На иловато-суглинистых почвах опыт­ ной станции Мидовланд (США) после интенсивного и продолжительного дождя (70 мм) И. Ниел [102] наблюдал макси­ мальный дренажный сток величиной 4,7 л/(с>га). По данным Флодквист, в Швеции наблюдался максимальный дре­ нажный сток величиной до 6,0 л/(с*га).

Особенно большие значения модулей дренажного стока, наблюдавшиеся в 1931 г. на опытном поле Фридрихштейна, приводит И. Роте [279]: 28/IV — 3,38 л/(с • га), 7/1V — 5,19 и 9,13 л/(с • га), 28/IV — 12,10 л/(с-га).

Рис. 17. Связь между средними суточными моду­ лями дренажного стока q для среднеглубокого дренажа (1,2 м), имеющего различные расстояния между дренами (£ '= 14 м и £"= 40 м). 1961-62 г.

Кандава.

а максимальные средние суточные — 5,75 л/ (с • га). Исследователями отмечается, что большой дренажный сток яв­

ляется кратковременным (лишь несколько часов). Но, к сожале­ нию, не приводится более подробная характеристика условий фор­ мирования стока, а также данные о водопроницаемости и других водно-физических свойствах почвы.

58

лорусской ССР <7макс наблюдался в 1962 г., когда его величина при

Данные полевых наблюдений, полученные на легких суглинис­ тых и супесчаных почвах Латвийской ССР, показывают, что вели­ чина наибольших модулей дренажного стока в условиях атмосфер­ ного питания может превысить 5 л /(с • га), а в условиях смешанного питания даже 8 л/(с>га) (табл. 25; 26; 27). Отмечается, что наи­ больший дренажный сток, как правило, формируется весной во время снеготаяния, т. е. перед оттаиванием почвы.

Атмосфер ное питан ие

За период наших исследований наиболее значительный весен­ ний дренажный сток с характерными резкими суточными его коле­ баниями, вызванными суточным колебанием температуры воздуха, наблюдался весной 1958 и 1960 гг. (рис. 18). При этом в 1958 г. сток проходил при незначительной, а в 1960 г. — при значительной глубине промерзания почвы. Так, на Кокнесском участке в первом случае глубина промерзания была 5—10 см, а во втором — 50— 60 см. Однако в обоих случаях в период наиболее интенсивного снеготаяния отводящие дрены железобетонных контрольных колод­ цев на опытных системах оказались не в состоянии отвести все притекающие дренажные воды (см. рис. 18), несмотря на то, что при проектировании этих систем был принят завышенный в не­ сколько раз расчетный дренажный сток. Надо подчеркнуть, что даже при глубине промерзания почвы более 0,5 м величина макси­ мального дренажного стока превысила 5,0 л/(с-га). Из этого сле­ дует, что мерзлый слой дренированных легких суглинистых и

59