Раздел III Особые виды мелиораций

Глава 14 Дренаж на засоленных почвах

14.1 Типы засоления почв

Одним из отличительных признаков почвогрунтов в засушливых районах является содержание в них значительного количества растворенных солей.

Из-за малого количества осадков они не вымываются из верхних слоев почвогрунта в нижележащие горизонты. Естественное распространение солей в толще почвогрунта изменяется при орошении - появляется так называемое вторичное засоление, характеризующееся тем, что соли сосредотачиваются в корнеобитаемом слое. Вторичное засоление наступает при повышении уровня минерализованных грунтовых вод, при которых начинается интенсивное засоление почв и его принято называть критическим. Критическая глубина зависит от характера почвогрунтов и минерализации грунтовых вод.

Уровень грунтовых вод при орошении повышается за счет потерь воды из каналов и с полей. Особенно быстро этот процесс происходит при отсутствии подземного оттока. Дополнительным источником солей являются поливные воды, качество которых по мере загрязнения рек ухудшается.

При поливе водой с минерализацией 1 г/л в почву поступает за сезон до 10 т солей. Полив минерализованной водой может вызвать засоление почв и их осолонцевание.

Накопление солей снижает плодородие почвы, ведет к снижению и гибели урожая.

В природных водах содержатся разные соли, наиболее вредными для сельскохозяйственных растений и почв являются NaCl, Na₂CО₃, Na₂SО₄, MgCl₂, MgSО₄, СаСl₂.

Засоленные почвы по количеству содержащихся в них солей принято разделять на пять групп - не засоленные, слабо-, средне-, сильнозасоленные и солончаки.

К солончакам относят почвогрунты, содержащие более 3% солей (по отношению к массе абсолютно сухой навески) или 2-3% солей и более 0,1% хлора.

В зависимости от содержания хлора в солончаках и солончаковых почвах выделяют следующие типы засоления:

Тип засоления

Отношение между содержанием хлора и общим содержанием легкорастворимых солей

Хлоридный > 0,40

Сулъфатно-хлоридный 0,25- 0,40

Хлоридно-сульфатный 0,12-0.25

Сульфатный < 0,12

Предельно допустимое содержание солей, выше которого они оказывают угнетающее действие на сельскохозяйственные растения, называется порогом токсичности.

14.2 Критическая глубина залегания УГВ

Один из основных путей поступления воды в почву от неглубоко залегающих грунтовых вод.

По степени засоленности грунтовые воды подразделяют на незаселенные (содержание солей менее 2г/л), слабозасоленные (2-4 г/л), среднезасоленные (4-8г/л) и сильнозасоленные (8-16 г/л и более).

Критическая глубина залегания грунтовых вод для лессовых почв в зависимости от степени их минерализации по А.К. Костякову составляет:

Минерализация, г/л Критическая глубина, м ³

3 1,7-2,2

3-5 2,2-3,0

5-7 3-3,5

На тяжелых почвах критическая глубина на 20% больше приведенных значений.

На незасоленных землях при минерализации грунтовых вод 2г/л критическая глубина составляет 1,2-1,5м, при пресных грунтовых водах она может составлять 0,7-1,0м и менее, т.е. принимать значения нормы осушения.

В зависимости от климатических условий местности критическая глубина залегания грунтовых вод (Н_кр) может быть вычислена по формуле В.А.Ковды:

Н_кр =170+8t

Где: t - среднегодовая температура воздуха, °С.

На засоленных землях грунтовые воды поддерживают на глубине, близкой к критической, с тем, чтобы водообмен почвы с грунтовыми водами за вегетационный период был отрицательным, и отсутствовали восходящие токи воды в зоне аэрации.

14.3 Классификация дренажа

Существует ряд способов, позволяющих замедлить подъем уровня грунтовых и уменьшить вынос солей в корнеобитаемый слой почвы, но коренным образом изменить водный режим, а тем более, солевой режим всей толщи почвогрунтов можно только при помощи дренажа.

Дренаж на орошаемых землях - это совокупность гидротехнических сооружений (труб, каналов, колодцев, насосных станций и др.) с помощью которых обеспечивается понижение уровня и проточность почвенно-грунтовых вод и отвод их за пределы орошаемой территории, или использование дренажного стока на повторное орошение, промывки и другие нужды.

Дренаж на орошаемых землях классифицируют по ряду признаков:

1. По назначению и расположению:

Систематический - горизонтальные дрены или скважины вертикального

дренажа расположены равномерно по орошаемой территории.

Выборочный - дрены или скважины приурочены к отдельным участкам орошаемых земель с неудовлетворительным мелиоративным состоянием.

Линейный- дрены или скважины расположены по фронту питания

подземных вод.

2. По конструкции:

Горизонтальный - сеть открытых или закрытых дрен и коллекторов. Вертикальный- сеть скважин.

Комбинированный- сочетание дрен и скважин.

3. По времени работы:

Постоянный - поддержание необходимого водно-солевого режима почвы и грунтов зоны аэрации на протяжении всего периода работы оросительной системы.

Временный - работа только в течение определенного времени (1-3 года) в период капитальных промывок.

4. По степени вскрытия водоносных слоев:

Совершенный - дрены прорезают всю толщу водоносного пласта.

Несовершенный - дрены прорезают водоносный пласт частично.

Дренаж на орошаемых землях должен обеспечить отвод избытка солей из корнеобитаемого слоя почвы, а также поддерживать уровень подземных вод, исключающий возможность вторичного засоления и заболачивания земель.

Дренаж отводит в водоприемник минерализованную воду из грунта, на ее место поступает пресная оросительная вода.

Необходимость устройства дренажа устанавливают на основе анализа водно-солевого режима почв объекта мелиорации и прилегающей территории в существующих и проектных условиях с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных культур и требований охраны окружающей среды.

При составлении прогнозов водно-солевого режима используют балансовые и аналитические методы расчета, аналоговое и математическое моделирование. Прогноз режима грунтовых вод дается в проекте орошения. Прогнозом устанавливаются глубины залегания грунтовых вод при разной водоподаче и принятой технике орошения, сроки подъема УГВ до критических глубин, возможная степень минерализации грунтовых вод, необходимые сроки строительства дренажа.

Допустимую (критическую) глубину залегания подземных вод, обеспечивающую оптимальный водно-солевой режим почв, устанавливают для каждой природно-климатической зоны на основании специальных исследований и имеющего опыта эксплуатации мелиоративных систем.

На площадях нового орошения ввод земель в сельскохозяйственное освоение предусматривают после окончания строительства постоянного дренажа, если по прогнозу водно-солевого режима потребность в дренаже возникает в период до 10 лет от начала освоения. При сроке подъема грунтовых вод более 10 лет освоение земель должно опережать строительство дренажа.

14.4 Водно-солевой баланс территорий

Для оценки мелиоративного состояния орошаемых земель рассчитывают водно-солевой баланс территории. Расчет параметров дренажа и выбор схемы его размещения выполняют по уравнению водного баланса для определения нагрузки на дренаж и увеличение инфильтрационного питания.

Общее изменение запасов солей (ΔS, т/га) в границах рассматриваемой территории в активном слое (от 1 до 3 метров) рассчитывают по формуле: ΔS=S_к-S_н,где:S_ниS_к- запасы солей в начальный и конечный моменты расчетного периода.

Тип дренажа на орошаемых землях (горизонтальный, вертикальный или комбинированный) выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов, исходя из гидрологических условий и на основе геофильтрационной схематизации строения водоносного пласта, определяющей граничные условия потоков подземных вод в разрезе и плане, а так же его фильтрационные свойства.

В качестве основных таксономических единиц при геофильтрационной схематизации выделяют следующие схемы залегания грунтовых вод на региональным водоупором.

При однопластовой и двухпластовой схеме с проводимостью водоносного горизонта 100м² сут, конструкцию дренажа проектируют вертикальной или комбинированной.

Вертикальную конструкцию предусматривают на слабопроницаемых грунтах подстилаемых пластами с напорными водами. Комбинированный дренаж применяют при мощности верхнего слабопроницаемого слоя и подстилающего водонапорного пласта до 15м.

Горизонтальный дренаж применяют при беспластовой геофильтрационной схеме с коэффициентами фильтрации покровных отложений 0,01 м/сут.

При проектировании дренажа на засоленных или склонных к засолению землях предусматривается промывной режим орошения. Параметры временного дренажа определяют, исходя из обеспечения заданной скорости отвода промывных вод в период капитальных промывок с учетом работы постоянного дренажа.

14.5 Горизонтальный дренаж

Представляет собой совокупность дрен для приема грунтовых вод с мелиорируемой территории.

Постоянные горизонтальные дрены проектируют закрытыми с водоприемными отверстиями и защитным фильтром или из пористых труб (трубофильтров).

Для приема вод из дрен и отвода ее за пределы мелиорируемой территории используют коллекторы. Их проектируют как закрытыми, так и открытыми.

Внутрихозяйственные коллекторы должны быть, как правило, закрытыми. Коллекторы, проходящие через населенные пункты, проектируют только закрытыми.

Для закрытого горизонтального дренажа применяют безнапорные неметаллические трубы, выдерживающие давление грунта, временную нагрузку от сельхозмашин и стойкие к воздействию агрессивной среды.

Глубину заложения дрен и расстояние между ними рассчитывают в зависимости от гидрогеологических условий объекта и требуемого водно-солевого режима по формулам устанавливающего режима фильтрации с проверкой динамики подземных вод в характерные периоды (вегетационный, предпосевной и др.) по формулам неустановившегося режима.

Глубина заложения дрен с учетом технологии производства работ, как правило, не должна превышать 4м. Длину дрен принимают от 400 до 1000м. Диаметр дренажных труб определяют гидравлическим расчетом. При пропуске максимального расхода допускается напорное движение воды в дренах.

Уклоны дрен и закрытых коллекторов принимают, как правило, не менее 0,002 при диаметре до 200мм и не менее 0,0005 - при диаметре более 200мм. Максимальные уклоны открытых дрен коллекторов устанавливают, исходя их допустимых неразмывающих скоростей, минимальные - не менее 0,0003; при безуклонных территориях допускается уклон 0,0002.

Сопряжение закрытых дрен с закрытыми и открытыми коллекторами должно обеспечить отвод дренажных вод без образования подпоров в дренах.

Смотровые колодцы устанавливают в истоках дрен, в местах поворота дрен и коллекторов, изменения уклона и диаметра труб, впадения дрен в закрытые коллекторы, а также в местах промывки дренажных линий.

14.6 Вертикальный дренаж

Представляет собой комплекс сооружений, состоящий из водозабора с гидромеханическим оборудованием и наземного комплекса (энергетическое хозяйство, водоотводящая сеть, подъездные дороги, средства, автоматики, телемеханики, связи и контрольно-измерительная аппаратура).

В зависимости от гидрогеологических условий орошаемого массива водозаборные сооружения выполняют в виде вертикальных (с насосно-силовым оборудованием) или поглощающих скважин.

Плановое расположение скважин вертикального дренажа необходимо увязывать с рельефом и границами мелиорируемого участка. Скважины размещают по возможности вблизи существующих линий электропередач и трансформаторных подстанций.

При выборе конструкций скважин вертикального дренажа необходимо учитывать гидрогеологические условия, требуемое понижение УГВ, дебит, технологию бурения и параметры насосно-силового оборудования. При проектировании скважин предусматривают, как правило, применение неметаллических труб

При расчете вертикального дренажа сначала определяют параметры всей системы (общую мощность дренажа, количество скважин, расстояние между ними). Затем устанавливают параметры скважин (дебит, понижение уровня воды в скважине и в характерных точках массива, радиус влияния) и их конструктивные элементы (диаметр и глубину скважин, длину и диаметр фильтра, толщину и состав обсыпки).

Диаметр бурения скважин вертикального дренажа принимают не менее 600мм. Глубина скважины, определяемая уровнем залегания и мощностью водосодержащих грунтов, не должна превышать 100м. Длину отстойника принимают не более 1м, фильтра- с учетом мощности водоносного пласта.

Если мощность водоносного пласта менее 10м, то длину фильтра принимают равной его мощности. При мощности водоносного пласта более 10м длину фильтра уменьшают до 0,7-0,8 его мощности, но она должна быть не более 25м. Скважность фильтра должна составлять 25 -30%

В прифильтровой зоне скважины предусматривают однослойную фильтровую обсыпку толщиной не менее 15см. В качестве обсыпки применяют отсортированные гравийные смеси.

Вокруг скважин предусматривают ограждаемую площадку не более 150м², располагаемую на 0,3м выше окружающей территории.

Проектный режим работы системы скважин вертикального дренажа разрабатывают на основании данных мелиоративного состояния орошаемых земель в увязке с графиком нагрузок на энергосистемы, планами текущих и капитальных ремонтов скважин и насосно-силового оборудования. Работу насосных агрегатов на скважинах вертикального дренажа автоматизируют по уровню воды.

Систематический площадной вертикальный дренаж состоит из совершенных скважин, расположенных на местности с определенным шагом по сетке. В этом случае изолированно рассматривают участок территории, обслуживаемый данной скважиной.

Расчет площадного дренажа ведут в следующем порядке. При известном инфильтрационном питании определяют зону влияния скважины и площадь, обслуживаемою одной скважиной. При известной норме осушения, определяемой напором в верхнем пласте, находят разрывы уровней по границе участка. После этого по соответствующим зависимостям находят уровень в скважине.

Эффективность вертикального дренажа зависит от почвенно-гидрогеологических условий дренируемой территории. Вертикальный дренаж эффективен, если грунтовые воды покровных отложений имеют тесную связь с подземными водами пласта, из которого производится откачка воды. Ориентировочный показатель водопроводимость пласта должна быть не менее 150-200м/сут. В благоприятных условиях дебиты скважин превышают 120-150 л/с.

14.7 Комбинированный дренаж

Комбинированный дренаж представляет собой горизонтальную дренажную сеть, совмещенную с самоизливающимися вертикальными

скважинами, работающими под действием напора как естественного, так и формирующегося под действием подъема грунтовых вод при орошении.

Сопряжение скважины комбинированного дренажа с горизонтальными дренами должно обеспечивать свободный (без подпора) отвод дренажных вод. Подключение скважин к закрытым коллекторам и дренам должно быть закрытого типа.

14.8 Экономическая эффективность дренажа

Существенно зависит от того, насколько используются откачивание дренажных воды на орошение, промывку почв или другие нужды.

Опыт эксплуатации нормально построенного дренажа на орошаемых землях показывает, что скорость снижения УГВ при вертикальном дренаже составляет до 15-20 см/сут, при горизонтальном в 2-4 раза меньше (до 5-8 см/сут).

Вопросы для повторения:

1.Чем характеризуется вторичное засоление?

2.Типы засоления почв.

3.Степень засоления грунтовых вод.

4.Конструкции дренажа.

5.Что представляет собой дренаж на орошаемых землях?

6.По каким признакам классифицируют дренаж?

Глава 15 Эрозия почв. Предупреждение и борьба с эрозией и оползнями грунтов

15.1 Типы почвенной эрозии и ее причины

Эрозия - слово латинское, обозначающее «Разъедание».

Под эрозией почвы по определению Л. И. Просолова понимается «многообразное и широко распространенное явление разрушения и сноса почв и рыхлых пород потоками воды и ветра».

В зависимости от фактора, вызывающего разрушение почвы, различают водную и ветровую эрозию.

Почвенной эрозией называется механическое разру­шение почвенного покрова движущейся водой (водная эрозия) или ветром (ветровая эрозия).

Водная эрозия, в свою очередь, подразделяется на плоскостную - смыв частиц почвы из поверхностного (пахотного) слоя на больших площадях - и линейную - размыв почвы на значительную глубину с образованием промоин разных размеров до очень глубоких и длинных оврагов.

Плоскостная эрозия почв. Вода, стекающая по поверхности почвы, неизбежно увлекает с собой то или иное количество почвенных частиц различной крупности и сносит их в ручьи, реки, а через них в озера и моря. Даже при очень малом слое стекающей воды и при малых скоростях течения вода начинает увлекать с собой мель­чайшие коллоидальные частицы почвы. По мере увели­чения поверхностного стока и скоростей течения воды уносятся уже более крупные пылеватые частицы, затем мелкопесчаные, а при очень интенсивном поверхностном стоке и крупнопесчаные фракции. В результате верхний культурный почвенный слой или совсем смывается, или лишается наиболее ценных мелких почвенных частиц, вследствие чего резко ухудшаются его физические свой­ства: уменьшается влагоемкость, почва теряет связанность и распыляется. На такой почве поверхностный сток еще более усиливается и процессы почвенной эрозии прогрессируют.

Ухудшаются также и химические свойства почвы, так как с водой в первую очередь уносятся наиболее плодо­родные коллоидальные фракции. Так, чернозем, развитый на карбонатном лёссе, вследствие эрозии теряет значительную часть гумуса и обогащается карбонатами; его поглощающий комплекс насыщается основаниями, а количество доступных для растений зольных элементов питания падает.

По степени развития явлений смыва эродированные почвы подразделяют на пять групп (табл.11).

Таблица 11 Номенклатура эродированных почв (по С. С. Соболеву)

В европейской части СНГ наиболее сильные размы­вы наблюдаются в Молдавии, по правобережью Днепра, от Киева до Днепропетровска, по правобережью Сев. Донца, а также по правобережью Волги, где почвы, смытые до второй стадии эрозии, составляют от 20 до 40% площади пашни. Сильно развита также почвенная эрозия на юге Украины, в центральных черноземных об­ластях и в центральном Заволжье. В нечерноземной по­лосе, на севере Украины, левобережье Дона, Северном Кавказе и в южном Заволжье процессы плоскостной почвенной эрозии развиты слабо.

Размеры ущерба, приносимого плоскостной эрозией сельскому хозяйству, очень велики. Наблюдения и под­счеты показывают, что один сильный ливень смывает с гектара распаханного склона на черноземных почвах до 600 кг азота, до 400кг фосфора и до 500кг калия. В результате смыва за год почва теряет с гектара больше питательных веществ, чем их потребляют сельскохозяй­ственные культуры при самых высоких урожаях. В рай­онах европейской части РФ, наиболее подверженных почвенной эрозии, с пахотных земель ежегодно смыва­ется около 15 млн. т плодородной почвы, в том числе 0,43 млн. т связанного азота, 0,14 млн. т фосфорной кис­лоты и 2,84 млн. т окиси калия.

Главные причины смыва почвы. К причинам, вызыва­ющим явления плоскостной почвенной эрозии, относятся:

· большие уклоны поверхности (более 0,025);

· малая водопроницаемость материнских пород, под­стилающих почвенные горизонты, которая препятствует поглощению влаги почвой и увеличивает поверхностный сток;

· большая водосборная площадь данного склона, обусловливающая приток больших количеств воды;

· частое выпадение сильных ливней в весенние и лет­ние месяцы.

Явления смыва почвы развиваются тем сильнее, чем интенсивнее действуют перечисленные причины, и тем слабее, чем больше сопротивляемость почвы. Лучше сопротивляются смыву достаточно водопроницаемые структурные почвы, обладающие при этом значительной влагоемкостью; бесструктурные диспергированные поч­вы смываются чрезвычайно легко.

Очень большое влияние на сопротивляемость почвы смыву оказывает состояние ее поверхности. Травяной покров и лес, задерживающие часть выпадающих осад­ков, замедляющие поверхностный сток и закрепляющие почву корневой системой, резко увеличивают сопротив­ляемость почв смыву. Наоборот, распаханные почвы, а тем более распаханные по направлению уклона поверх­ности очень легко смываются.

Большое значение для интенсивности смыва имеет влажность почвы к моменту выпадения ливня, вызываю­щего смыв. Пересушенные распыленные почвы подверга­ются смыву значительно легче, чем почти того же ме­ханического и агрегатного состава, но более влажные в момент выпадения ливня. Вследствие этого склоны, обращенные на юг и на запад, всегда смываются интенсив­нее, чем склоны, обращенные на север и на восток.

Линейная эрозия. Если вода, стекающая по склону, по условиям рельефа концентрируется в отдельные, бо­лее мощные струи, процесс поверхностного смыва почвы переходит в процесс линейного размыва. Сначала на поверхности склона образуются мелкие рытвины и про­моины, в которых сток концентрируется в более мощные потоки, интенсивность размыва усиливается и рытвины постепенно превращаются в овраги. Образовавшийся овраг растет с каждым последующим паводком, продви­гаясь вверх по склону по направлению своей оси и мно­гочисленных боковых отвершков. Двигающийся по овра­гу мощный поток размывает его дно; овраг постепенно углубляется и вследствие обвала откосов разрастается в ширину. В результате овраги могут достигать значи­тельных размеров. Например, есть овраги длиной до 25-30 км и глубиной более 100м.

Продольный профиль дна деятельного оврага всегда имеет вогнутую форму с большими уклонами в верхней части и меньшими в нижней. В верхней части профиля происходит дальнейший интенсивный размыв грунта, в нижней части размытый и вынесенный водным пото­ком грунт откладывается на дне, а в средней части на­блюдается равновесие между размывом и отложением грунта.

Рост оврага в длину может прекратиться, если он своей вершиной достигнет препятствия, не поддающегося размыву, или если будет резко уменьшена масса воды, стекающей в его вершине и в отвершках.

Углубление оврага прекращается либо вследствие уменьшения скорости течения воды по нему, либо вслед­ствие обнажения па дне плотных, не поддающихся раз­мыву отложений.

Расширение оврага прекращается тогда, когда пре­кращается углубление и когда его откосы будут иметь заложение, соответствующее углу естественного откоса для данного грунта. Овраг, прекративший рост, начина­ет постепенно зарастать древесной и кустарниковой рас­тительностью и превращается в балку. Но при малейшем нарушении наступившего равновесия, например вслед­ствие нового увеличения стока по балке, процесс размы­ва уже задернелого дна балки может возобновиться. Тогда балка снова превращается в деятельный овраг.

Вред, приносимый оврагами сельскому хозяйству, очень разнообразен:

· из сельскохозяйственного использования выпадает большая площадь, как под самими оврагами, так и под приовражной полосой шириной до 20м, между кромкой оврага и прямоугольными очертаниями участков пашни;

· овраги представляют собой глубоко врезанную осу­шительную систему, которая сильно иссушает почву в засушливых районах, где овражная сеть наиболее раз­вита;

· в овраги зимой сдувается до 50% снега, вследствие чего уменьшается весенняя влагозарядка почвы и увели­чивается ее промерзание;

· овраги рассекают поля на разобщенные участки, для связи между которыми необходимо строительство боль­шого числа мостов;

· выносы грунта из оврагов засоряют пойменные луга, заиливают реки и водохранилища, в которые они впа­дают.

На территории СНГ овражно-балочная сеть наибо­лее распространена на Среднерусской возвышенности, на Правобережной Украине и в Поволжье. Наибольшая густота овражной сети (0,6-1,1км на 1 см²) наблюда­ется в районе Иванова, Москвы, Орла, Курска, Харько­ва, Донецка. Особенной густотой овражной сети отли­чаются некоторые районы Орловской области, где овраги занимают до 30% всей территории.

15.2 Меры борьбы с плоскостной эрозией почв