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

Расчетный дренажный сток, рекомендованный учеными СевНИИГиМ для северо-западной зоны РСФСР, приведен в табл .29.

Таблица 29

Расчетные модули дренажного стока для северо-западной зоны РСФСР

В большинстве случаев расчетный модуль дренажного стока определяется в зависимости от суммы годовых осадков. Такой под­ ход критикует С. М. Перехрест [101]. Он предлагает определить расчетный сток в зависимости от содержания песчаных фракций (>0,05 мм) в осушаемой почве и необходимого срока осушения.

К. Башкис, К. Дабужинскас и В. Марченас [20] отмечают, что распределение расчетных норм модуля дренажного стока в зависи­ мости от среднегодовой суммы осадков является недостаточно обо­ снованным, так как основным фактором формирования дренажного стока весной является не годовая норма осадков, а запасы воды

вснеге к началу снеготаяния.

Вамериканских нормах по дренированию [201] вместо расчет­

ного модуля дренажного стока применяется так называемый ко­ эффициент дренажа, который трактуется как скорость отвода избы­ точных вод, обеспечивающая необходимую защиту растений от пе­ реувлажнения. Переходя от размерности коэффициента дренажа (дюймы слоя воды в сутки) на размерность модуля дренажного стока (л/(с>га)), получаем очень большие значения расчетных мо­ дулей дренажного стока (табл. 30).

70

Надо отметить, что среди европейских стран наибольшие рас­ четные модули при проектировании дренажа применяются в Шве­ ции— д о 7 л /(с -га ) [269].

В 1950-х годах было высказано мнение, что поскольку дренаж является гидротехническим сооружением, он должен рассчиты­ ваться по принципу расчета других гидротехнических сооружений [112]. Следовательно, расчетный модуль дренажного стока должен определяться по принципу определения расчетного расхода осталь­ ных гидротехнических сооружений, т. е. нужно установить сток дрен оптимальной обеспеченности, который и принять за расчетный. При таком подходе требуются данные о фактическом дренажном стоке.

Учитывая резкие колебания дренажного стока, его расчетная величина может быть значительно меньше максимальной, так как для понижения уровня грунтовых вод требуется некоторое время, в течение которого дрены могут работать отнюдь не полным сече­ нием. Правильный, по нашему мнению, принцип определения рас­ четного q по методу определения расчетного расхода других гидро­ технических сооружений был, например, использован А. М. Янго-

лем [198].

Приведенные выше результаты наших исследований гидрологи­ ческого действия дренажа в различных районах Латвийской ССР показывают, что режим дренажного стока в значительной мере за­ висит как от степени дренирования (Е и t), так и от уклона поверх­ ности земли и фильтрационных свойств почв, а также от степени водности данного района. Характерно, что в некоторых западных и южных районах Латвийской ССР фактический максимальный дре­ нажный сток весьма редко и на очень короткое время достигает и превышает 0,6—0,7 л/(С"га). В то же время в районах, располо­ женных в северной и средней частях республики, максимальный дренажный сток часто превышает 2—3 л/(с-га)- (табл. 31). В райо­ нах, где среднее количество годовых осадков различается на 20— 30%, величина фактического дренажного стока в паводковые пе­ риоды может различаться в 2—3 раза и более. В нормах проекти­ рования, составленных без учета фактического дренажного стока, это явление учитывается явно недостаточно. Дело в том, что отдель­ ный климатический фактор сам по себе не может характеризовать

Таблица 31

Модули дренажного стока в зависимости от места расположения объекта исследований (£=20 м, <=1,2 м)

71

гидрологические процессы и служить показателем степени водности данного района. Поэтому нельзя определять расчетный дренажный сток только в зависимости от количества годовых осадков.

При определении расчетного дренажного стока для условий Латвийской ССР нами использовался вышеупомянутый принцип определения расчетного расхода для других гидротехнических со­ оружений с учетом притока воды к дренам при определенной (рас­ четной) обеспеченности.

Для минеральных почв расчетный модуль дренажного стока реко­ мендуется определять по следующей формуле, по структуре сход­

где q — расчетный модуль дренажного стока л/(с-га); qP— модуль дренажного стока расчетного периода действия дренажа (средний для республики) при определенной обеспеченности максимального среднего суточного дренажного стока, определенной глубине за­ кладки дрен t и расстоянии между дренами Е\ Кв— поправочный коэффициент, зависящий от климатических условий; KtE — попра­ вочный коэффициент, зависящий от глубины закладки дрен t и рас­ стояния между дренами Е; Kf — коэффициент, зависящий от поч­ венных условий.

Расчетным периодом действия дренажа для определения вели­ чины модуля дренажного стока qP в условиях Латвийской ССР яв­ ляется период весенних паводков.

В табл. 32 даны значения qP при различных значениях обеспе­ ченности среднего суточного дренажного стока для среднеглубокого ((= 1,2 м) систематического (£ = 20 м) дренажа.

Таблица 32

Модули дренажного стока периода весенних паводков при различных значениях обеспеченности Р

в критический расчетный период кроме фактического дренажного стока необходимо учитывать и режим уровней грунтовых вод дре­ нированного поля, так как формирование наибольшего паводкового дренажного стока идет при затопленном верхнем активном слое почвы. Продолжительность затопления этого слоя можно несколько уменьшать, увеличивая расчетный дренажный сток. В таком случае необходимо увеличивать поперечные размеры как дренажных кол-

72

лекторов, так и осушительных дрен. При этом, как показывают со­ ответствующие наблюдения, полное предотвращение затопления пахотного слоя почвы только лишь посредством увеличения диа­ метра дрен практически невозможно.

Но величина расчетного дренажного стока не должна быть слишком заниженной, так как это приводит к недостаточной водо­ пропускной способности дренажных линий и запаздыванию пони­ жения высоких уровней грунтовых вод. В таком случае дренирован­ ные поля по сравнению с недренированными частично теряют свои преимущества.

Допустимая продолжительность гидравлического действия дре­ нажа с завышенной нагрузкой (с затопленными дренами) обуслов­ ливается максимальной допустимой продолжительностью затопле­ ния самых верхних слоев почвы. Исследования автора показывают, что для минеральных почв Латвийской ССР эта продолжитель­ ность составляет 7 суток (~ 2 % года) [171]1. Поэтому рекомен­ дуется расчетный дренажный сток для этих почв определять при 2% -ной обеспеченности средних суточных модулей дренажного стока. Согласно табл. 32, для Латвийской ССР <7р = 0,83 л/(с-га).

Надо отметить, что в Белорусской ССР, а также в некоторых других республиках и областях нашей страны, допускается работа дренажа полным сечением лишь в течение 2 суток, что соответст­ вует 0,5%-ной обеспеченности средних суточных модулей. Так, А. И. Леушев рекомендует следующие модули дренажного стока, соответствующие этой расчетной обеспеченности:

При использовании такой высокой обеспеченности (0,5%) в ка­ честве расчетной для условий Латвийской ССР получилось бы q> > 3 л/(с-га), что в 3—5 раз превышает применяемую до сих пор нормативную величину расчетного дренажного стока.

Коэффициент отклонений модуля дренажного стока Кл опреде­ ляется по данным о фактическом дренажном стоке. В районах, где таких данных нет, коэффициент Ка можно установить в зависимо­ сти от необходимой интенсивности действия дренажа во время ве­ сенних паводков, т. е. от величины запаса влаги в снежном покрове к началу весенних паводков и от времени, в течение которого верх­ ние горизонты почвы должны освободиться от излишних вод.

1 В упомянутой работе Ц. Н. Шкинкиса рекомендуемая обеспеченность 2% (7 суток) обосновывается лишь общими соображениями, с одной стороны, о не­ желательности затопления пахотного горизонта более чем на 7 суток и, с дру­ гой — о нежелательности удорожания строительства дренажа при сокращении этого периода. (Прим, ред.)

73

Таким образом, при наличии данных о дренажном стоке

дренажа в данном районе при определенном значении обеспечен­ ности (Р = 2,0%); qP— то же, для условий, средних по республике.

В случае отсутствия данных о дренажном стоке в данном рай­

оне

где Q' — запасы воды в снежном покрове к началу весенних павод­ ков в данном районе; Q '— то же, для условий, средних по рес­

публике; Тх — время, в течение которого в данном районе верхние слои почвы (глубиной до 50 см) должны быть освобождены от из­ лишних вод, т. е. время от начала паводков до начала предпосев­ ного периода; Tv — то же, для условий, средних по республике.

При определении коэффициента K d можно также использовать данные стока на малых реках. Для Латвийской ССР коэффициент K d колеблется в пределах 0,5—1,3 [171].

(t= 1,2 м) с расстояниями между дренами £ = 20 м; q'p— то же,

для систем дренажа, имеющих любые t и Е.

Значения коэффициента K t E в зависимости от глубины закладки дрен t и расстояния между дренами Е даны в табл. 33, а значения коэффициента Kf — в табл. 34.

Таблица 33

74

Таблица 34

Значения коэффициента Kf, зависящего от фильтрационных свойств почвы

Для практического определения расчетного дренажного стока формулу (56) целесообразно переписать в следующем виде:

При данном значении коэффициента А определение величины расчетного дренажного стока для минеральных почв при средних значениях t, составляющих 1,1— 1,3 м, и Е, колеблющихся от 18 до 24 м, можно производить по следующей приближенной зави­ симости:

По этой зависимости для территории Латвийской ССР состав­ лена соответствующая картограмма, которая используется в прак­ тике проектирования при определении расчетного дренажного стока на связных минеральных почвах в различных районах ре­ спублики (рис. 24).

Вышеприведенные формулы предназначены для определения расчетного дренажного стока в условиях атмосферного питания. При смешанном питании в зависимости от интенсивности притока напорных грунтовых или поверхностных вод значения расчетных

75

модулей следует в 1,5—2,0 раза увеличить. В условиях атмосфер­ ного питания при уклоне поверхности земли t > 2% величину рас­ четного дренажного стока можно уменьшить на 15—30%■

Методика определения расчетного дренажного стока более под­ робно изложена в работе [171].

4. Режим уровней грунтовых вод

Календарный график уровней грунтовых вод. Вследст­ вие водоотводящего действия дренажа в активном слое дрениро­ ванных почв происходит понижение уровней грунтовых вод. С практической точки зрения режим уровней грунтовых вод явля­ ется более важным показателем гидрологического действия дре­ нажа, чем дренажный сток. Ведь сток из дрен может формиро­ ваться при затоплении грунтовыми водами различных почвенных горизонтов. Процесс формирования дренажного стока землеполь­ зователей интересует мало. Но они очень заинтересованы в обе­ спечении необходимой глубины уровня грунтовых вод и создании оптимального режима влажности почвы для своевременного про­ ведения полевых работ и создания наиболее благоприятных условий для роста и развития сельскохозяйственных культур.

В климатических условиях периодического избыточного увлаж­ нения уровень грунтовых вод на минеральных почвах сильно ме­ няется. При атмосферном питании на этих почвах в течение года происходят довольно резкие колебания уровней (см. рис. 8), обу­ словливаемые гидрометеорологическими факторами. Однако на

Рис. 25. Ход уровней грунтовых вод для среднеглубокого (1,2 м) дренажа, имеющего различные расстояния между дренами, 1965-66 г. Кандава.

1 — £=40 м, 2 — £ = 14 м.

77

о

Рис. 26. Ход уровней грунтовых вод для систем глубокого (1,5 м) и мелкого (0,9 м) систематического дренажа. 1/Х 1960—31/V 1961 гг. Римейкас.

/ — <=0,9 м; 2 — <=1,5 м.

грунтовых вод в основном происходит не в вегетационный период. Как отмечено выше, летом грунтовые воды как на дренированных, так и на недренированных полях обычно опускаются ниже уровня дрен, вследствие чего возможность активного регулирования дре­ нажем водного режима почв снижается до минимума.

На дренированном поле критическое положение уровня грун­ товых вод имеет место в середине полосы между дренами. Для определения положения уровня в данный период времени за ру­ бежом рекомендуется формула Я. Шильфгарде

Данная зависимость запрограммирована и расчет по ней ве­ дется на вычислительной машине. Как показывают исследования Г. О. Веньёр и Г. П. Джонсон [292], результаты по формуле (62) подтверждаются аналогичными результатами, полученными на со­ ответствующей модели, а также в натуре.

Для определения положения уровня грунтовых вод с заданной обеспеченностью в течение критических декад, исходя из водного баланса дренированной почвы, Р. А. Тумас [142] предлагает сле­ дующую зависимость:

(Л>о — Ё ) - \ - Н 0е~в‘, (63)

78

где Нр — положение уровня грунтовых вод в середине между дре­ нами при заданной обеспеченности осадков Р; Н0— начальное по­

Численные значения В возрастают по мере увеличения сте­

где Н0 и Н — положение уровня грунтовых вод в середине между дренами соответственно при /= 0 и t = t.

Соответствующие формулы для расчета положения уровня грунтовых вод предлагает И. Весселинг [298], А. И. Ивицкий [59] и др.

Степень зарегулированности уровня грунтовых вод переувлаж­ ненных почв сильно зависит от расстояния между дренами Е. С уменьшением Е глубина залегания хронологически соответст­ вующих уровней возрастает, режим их становится более стабиль­ ным, уменьшается продолжительность стояния высоких уровней.

Не меньшее влияние на режим уровней оказывает глубина за­ кладки дрен t. При глубоком дренаже (1,3—1,5 м) на легких су­ глинистых и супесчаных почвах колебание уровней происходит,

вых вод нередко поднимается в пахотном слое и наблюдается продолжительное его затопление этими водами (см. рис. 26).

79