Поиск

Трудности и эффективность применения дренажа
19.11.2015

Применение дренажа в орошаемом земледелии - сложная задача, требующая знаний, средств и постоянного внимания.
При освоении заболоченных почв роль дренажных устройств ограничена задачей оптимизации водного режима почв, когда нежелательны полный отвод больших объемов воды и значительное понижение уровня грунтовых вод. Осушительный дренах должен по возможности сохранять подпочвенную влагу (субирригация) и обеспечивать нормальное наступление физической спелости почв и несущую способность для обрабатывании машин.
Дренах в орошаемом земледелии, как автор подчеркивал в своих публикациях прошлых лет (с 1937 по 1973 г.), имеет главную задачу - вывод с полей токсических легкорастворимых солей, которые присутствуют в аридных почвах, в почвенно-грунтовых водах и поступают на поля с оросительными водами. Эта задача решается совместно дренажем и орошением путем значительного понижения уровня соленых грунтовых вод с целью прекращения (или ослабления) поступления их солей в корнеобитаемый слой почвы, путем организации нисходящей и боковой циркуляции растворов, отвода и замещения соленых грунтовых вод опресненными водами, путем регулярного выноса остаточных солей, образующихся в почве при эвапотранспирации поливных вод.
В мелиоративный период выполняются первая и вторая функции (рассоление и капитальные промывки); в эксплуатационный период выполняется третья функция (вынос эвапоратов дренажем и избытком поливных вод).
Многие специалисты,занимающиеся освоением засоленных почв, не понимают этих функций дренажа и проектируют его неправильно, исходя из опыта осушения заболоченных почв (мелкий, сверхчастый, не рассчитанный на промывные воды и т.д.). Для проектирования дренажа необходимо представить его роль и работу в период мелиорации (переходный период) и в период послемелиоративный. Иногда приходится на мелиоративный период намечать и сооружать дренаж с большей нагрузкой (близкие междренья, временные дрены), имея в виду в последующем снижение норм дренирования и норм вывода дренажных (уже опресненных) вод.
Самое важное для проектировщиков оросительной системы и дренажно-промывочных операций знать: критическую минерализацию грунтовых вод, до величины которой необходимо опреснить грунтовые воды; критическую глубину уровня грунтовых вод, выше которого не следует допускать грунтовые воды на длительный период; допустимую кратность упаривания поливных вод, с тем, чтобы концентрация грунтовых вод не превышала принятую критическую минерализацию (в случае нормальных речных вод кратность упаривания примерно равна 10-15).
Кроме этого, требуется знание литологии грунтов и почв, гидрогеологии и геохимии солей в масштабе карт 1:10 000, а лучше 1:5000, и притом на глубины 15-30 м.
Глубина полевых дрен, по опыту мирового орошаемого земледелия, должна быть не менее 1,5-2 м и не глубже 3-3,5 м. Междренья в грубой приближении определяется коэффициентом фильтрации грунтов, выраженным в м/сутки, и степенью засоленности почв и грунтовых вод. Согласно имеющемуся опыту, 3-метровые дрены эффективно действует на рассоление в следующих соотношениях:
- при Кф 4-5 м/сутки 600-800 м
- при Кф 2-3 м/сутки 400-500 м
- при Кф 1-2 м/сутки 100-200 м
- при Кф 0,5-1 м/сутки 50-100 м
В России, кроме того, принято выражать степень дренирования в длине дрен в метрах на 1 га площади:
- 5-20 погонных м/га (п.м /га) при слабой интенсивности дренирования;
- 30-50 п.м /га при сильной интенсивности дренирования;
- 75-80 п.м/га при высокой интенсивности дренирования, необходимой для рассоления особо сильнозасаленных тяжелых земель.
Как показали исследования процессов рассоления почв и питания глубоких дрен, они работает на 4-5-кратную глубину самой дрены (т.е. при глубине 3 м х 4-5 = на 12-15 м) и на расстояние от 50 до 100-200 м в обе стороны, расширяя свое влияние во времени дальше и глубже. Глубина опреснения минерализованных грунтовых вод за 25-30 лет работы дрен постепенно распространяется на 7-10 м. Естественно, что рассоление заселенных почв при этом достигает полной стабильности и обеспечивается возможность получения самых высоких урожаев полевых и плодовых культур (опыт Муганской мелиоративной станции).
В России довольно сложным объектом мелиорации и орошения были земли Туркмении, расположенные в бассейнах рек Амударья, Мургаб, Теджен. В этих районах за минувшие 10-15 лет осуществлены (и еще продолжаются)большие работы по строительству оросительных каналов, дренажных устройств, по промывкам засоленных почв. Туркменские ученые следующим обрезом характеризуют развитие дренажно-коллекторной сети в Туркмении и рост продуктивности орошаемых полей (приводятся итоги исследований Х.А. Аманова и А. Ходжаева): Прежде всего были построены крупные магистральные коллекторы общей протяженностью 816 км.
Общая протяженность коллекторно-дренажной сети по состоянию на 1971 г. составила 10 025 км. Это более чем по 15 погонных метров на каждый орошаемый гектар земли. Только за период с 1964 по 1970 г. было построено и сдано в эксплуатацию коллекторов и дрен протяженностью 5766 км, что позволило в целом по республике повысить урожайность хлопчатника с 18,1 до 25,5 ц/га и довести валовой сбор хлопка о 462,5 тыс. до 868,6 тыс. т (табл. 14а).

Трудности и эффективность применения дренажа

Благодаря использованию коллекторно-дренажной сети и проведению зимне-весенних промывных поливов удалось опреснить верхний слой грунтовых вод. В Ташаузском и Чарджоуском оазисах минерализация грунтовых вод за 5 лет эксплуатации коллекторно-дренажной сети уменьшилась на 5 г/л, что положительно повлияло на плодородие орошаемых земель (табл. 15).
Трудности и эффективность применения дренажа

Сочетание мелиоративных мероприятий с комплексом агротехнических мер способствует повышению урожайности хлопчатника. За 1964-1968 гг. по Ташаузскому и Чарджоускому оазисам она повысилась на 10-12 ц/га, по Мургабскому - на 6 ц/га.
В прошлом из-за отсутствия дренажа на почвах повышенной засоленности урожая были 9-14 ц/га. В 1968 г. в результате проведения мелиоративных и агротехнических мероприятий на этих почвах собрали с каждого гектара посевной площади по 27,5 и 33,2 ц хлопка - сырца.
Строительство глубокого горизонтального дренажа и частично вертикального продолжается.
Аналогичный процесс опреснения засоленных почв и минерализованных грунтовых вод с параллельным увеличением урожаев хлопчатника и других культур наблюдается в Азербайджане (рис. 38) и в Вахшской долине Таджикистана (см. рис. 37).
Применение вертикального дренажа, вывод солей глубоким горизонтальным дренажем и промывка позволяют успешно освоить для полеводства даже самые трудные и сильнозасоленные массивы. Примером этого может служить урочище "Караланг" в Таджикистане,успешно освоенное под культуру хлопчатника и люцерны (табл. 16).
Трудности и эффективность применения дренажа

В результате обзора новых данных по борьбе с засолением почв модно считать бесспорным, что засоленность орошаемых почв сохраняется или катастрофически возникает и растет там, где глубокий горизонтальный дренаж (открытый, как самый дешевый, или закрытый) в сочетании с вертикальным (где возможно) и промывки не применяются или применяются в недостаточной мере.
Близкие взгляды на этот вопрос высказывает Т. Талсма. Он считает, что в среднем необходимо удерживать уровень минерализованных грунтовых вод на глубине 4,3-6,6 фута (1,4-2,2 м). С учетом этого дрены, очевидно, надо закладывать на глубину 1,8-2,5 м. К сожалению, Т. Талсма не подчеркивает значения концентрации солей в грунтовых водах, что весьма сильно влияет на скорость соленакопления в почвах. Т. Талсма рекомендует держать уровень грунтовых вод на указанной глубине 1,4-2,2 м с целью не допускать скорость восходящего тока капиллярных растворов к поверхности до 0,1 см (1 мм) в день. Ho ведь засоляющий эффект этих восходящих токов зависит от испарения и минерализации растворов. Соленые растворы будут засолять почву и при меньших скоростях восходящего тока.
Трудности и эффективность применения дренажа

Конечно, имеются свои отрицательные стороны в применении горизонтального дренаха. Открытый горизонтальный дренах дешевле и проще осуществлять, но он отчуждает много земли, оползает, зарастает, заиляется. Его очистка и поддержание требуют труда. Ho открытый дренах весьма эффективен при промывках и доступен для осуществления любой развивающейся стране.
Закрытый горизонтальный дренах меньше отчуждает земли, но он дороже в строительстве, требует большей культуры в использовании; хотя он долговечен, его эффективность при промывках несколько меньше, а очистка от заиления и ремонт труб сложнее.
Вертикальный дренах требует электроэнергии, дорогого оборудования, технического персонала и специальной рабочей силы. Ho вертикальный дренах может быстрее и лучше удерживать уровень грунтовых вод глубже критического. Однако он очень часто вовлекает в водно-солевой режим оросительных систем большие объемы солоноватых, а иногда и соленых подземных вод. Именно по этим причинам (необходимость регулярного удаления солей) вертикальный насосный дренах из скважин необходимо сочетать с горизонтальным.
Как нами было предложено в 1967 г., круговорот (режим, баланс) солей при вертикальном дренаже и использовании откачанных вод для орошения не должен быть "замкнутым". Как минимум 10-12% поступающих вод должны удаляться в виде дренажного оттока из оросительной системы. Иначе через 10-20 лет орошения начинается засоление и почв, и откачиваемых вод.
Для ориентировочных расчетов параметров дренажа можно пользоваться формулами, опубликованными в мировой литературе. Ho всегда будет надежнее иметь в каждом крупном регионе одну-две опытные мелиоративные, станции для изучения типа, параметров и работы дренажа, техники и режима поливов, удобрений, обработки в реальных полевых условиях. Эти станции дадут наиболее надежные опытные данные, которые вместе с теоретическими проработками и с использованием ЭВМ позволят дать обоснованные предложения по параметрам (глубины, расстояния, процент ввода) дренажа.
Научная и техническая мысль работает над повышением эффективности функций дренажа. Современный горизонтальный и вертикальный дренажи иногда не оправдывают надежд. Дело не только в заилении, зарастании, деформациях.
В тяжелых грунтах при напорных соленых водах горизонтальный дренах иногда неэффективен. He входя в детали, отметим те приемы, которые в России изучают и испытывают для повышения эффективности и дальности действия дренажа в процессах рассоления почв;
- глубокое подпочвенное кротование, рыхление и щелевание увеличивает эффективность промывок и дрен на тяжелых малопроницаемых грунтах.
- кислование отходами технической серной кислоты повышает значительно вымываемость солей в дрены на тяжелых щелочных содовых солончаках.
- чередование на полях дрен с водопроводящими каналами (не рядом!) способствует рассолительному влиянию дрен за счет дополнительного давления от фильтрационного потока,
- закладка в дне открытых дрен неглубоких колодцев (скважин) для снятия напорного влияния и усиленного отвода грунтовых вод ("гребенка").
- герметизация закрытых дрен и подключение к ним насосов для их вакуумирования, что значительно повышает эффективность и дальность их действия.
- магнитная обработка промывной воды, усиливающая ее растворяющий, промывной эффект и тем самый эффект рассоления.
-применение постоянного электрического тока плотностью 0,1-0,5 ма/см2, что обеспечивает (особенно одновременно с промывкой и дренажем) быстрое и полное рассоление содовых солончаков, содовых солонцов, бесструктурных щелочных тяжелых почв. Ускоряется этим методом также мелиорация хлоридно-сульфатных солончаков. Происходит вынос солей, замена обменного Na на Ca, снижение pH и микроагрегирование ранее высокодисперсной почвы (исследования под руководством А.Ф. Вадюниной, МГУ). Все эти исследования дадут в будущем свой результат.
Ho орошаемое земледелие не может отложить проблему борьбы с засолением. Поэтому уже теперь можно и нужно шире использовать дренаж.(его разные виды) и промывки почв для повышения продуктивности орошаемых почв.
Новейший обзор и обобщение советского и зарубежного опыта в мелиорации и освоении засоленных орошаемых почв были выполнены др. М.М. Эль Манси Эль Шаль. В этом обзоре и полевыми опытами ещё раз подтверждено, что успешная мелиорация сильнозасоленных суглинисто-лёссовых почв может быть произведена только при следующих условиях:
а) глубокой (2,5-3,5 м) постоянном горизонтальном дренаже о междреньями 100-200 м;
б) локально расположенном (на участках глинистых наиболее засоленных почв) временном горизонтальном дренаже, обслуживающем период капитальных промывок (с междреньями 25-50 м);
в) капитальных промывках растворимых солей объемом воды порядка 20-60 тыс.м3/га; промывка занимает 1-3 месяца в зависимости от степени засоленности почвы и грунтовой воды.
Очень полезное обозрение опытных работ, выполненных в странах Южной Европы, издано в 1973 г. ФАО.
Климат европейских аридных стран мягче, чем климат пустынь Азии и Африки. Поэтому параметры дренажа засоленных орошаемых почв здесь отличаются от принятых в Центральной Азии (табл. 17).
Трудности и эффективность применения дренажа

Междренья, на наш взгляд, слишком сближены (10-60 м). Eo глубины дрен 1,5-2,0 м для этих условий, по-видимому, подобраны удачно. Во всех опытах этих четырех стран дренах и промывки дали хороший эффект (рассоление почв, сильное опреснение грунтовых вод, высокие урожаи культур).
Фундаментальная книга "Drainage for agriculture" ("Дренаж для агрикультуры"), написанная 27 авторами, издана в США в 1974 г. под редакцией директора Лаборатории засоленных почв США доктора Jan Van Schilfgaarde. Книга восполняет пробелы и отрыв от реальной практики оросительных мелиораций, что было характерно для книги Лутина (Luthin) "Дренах сельскохозяйственных земель". Эта вторая книга намного интереснее, но, к сожалению, авторы - крупнейшие лабораторные экспериментаторы, гидравлики, гидрофизики и осушенцы - все также полностью игнорируют или не знают научную литературу по оросительным мелиорациям, изданную на русском или на западных языках, но написанную авторами из социалистических и развивающихся стран.
Игнорируются реальные почвы, поля, процессы засоления и рассоления в орошаемой земледелии. И в этой книге практики приглашаются везде поливать почвы нормами большими, чем эвапотранспирация, для "поддержания солевого баланса корнеобитаемой зоны", игнорируются действительные высокие концентрации и запасы солей в аридных почвах и в грунтовых водах. Все приписывается селям оросительной воды (даже пресной), для отвода которых и требуется дренаж. Проблема дренажа трактуется на основе опыта осушения в Нидерландах, что интересно и полезно, но не для решения проблемы рассоления орошаемых почв в аридной зоне. Поэтому тщетно искать в этой книге примеры, параметры и данные о глубинах дрен, междреньях, их влиянии на солевой режим полей, на рассоление почв и грунтовых вод и на повышение урожая при рассолении.
Немногие конкретные примеры параметров дренажа (0,5-1 км междренья и 0,4-2 м глубина) даются для практики осушения и отвода избыточной воды. В плане осушения книга прекрасно обобщает научные данные гумидных областей Западней Европы, Северной Америки, Японии. Особенности же орошения в аридных условиях: колоссальное испарение грунтовых вод, рост и значение их высокой минерализации, восходящее капиллярное движение концентрированных растворов, роль дренажа в отводе соленых грунтовых вод, в их опреснении и снятии испарения - в общем практически пропущены в этой книге.
Правда, в отличие от прежних публикаций, хотя и без ссылок на советские работы 30-60-х годов, Гарднер и Раатс в своем разделе указали на значение уровня и испарения грунтовых вод в сохе-накоплении, отметив асимптотическое уменьшение скорости капиллярного поднятия по мере углубления уровня грунтовых вод. Качественно это было общеизвестно в 20-е и 30-е года и в США и в России. Считая, что восходящее движение капиллярных растворов благодаря всасыванию может идти и с глубины 20 м, т.е. с неограниченной глубины, автора книги воздержались от каких-либо рекомендаций к практике проектирования и сооружения (глубины и междренья) расселяющего дренажа. Они справедливо отмечают, что приложения их лабораторных (на моделях) исследований в реальных условиях пока не существует и будет проверяться в поле "в обозримой будущей". Однако борьба с растущим засолением почв требует действий и теперь. Счастливым и весьма интересным исключением в этой книге является глава, написанная И.Д. Родесом. Правда,ему неизвестна литература социалистических стран. Родес, считая, что главный источник солей в орошаемых почвах - поливные воды, в то же время совершенно правильно указывает, что,в отличие от зон осушения, в орошаемых условиях вследствие больших величин эвапотранспирации минимальный уровень грунтовых вод должен поддерживаться на значительно большей глубине, с тем чтобы "эта критическая глубина служила бы предупреждением какого-либо значительного восходящего потока влаги (с ее солями) от уровня воды в корнеобитаемую зону". Как видим, это и терминологически, и практически совпадает с советским определением критической глубины залегания уровня грунтовых вод, введенным в научную литературу и в практику в 30-40-х годах. Именно это положение десятилетиями отвергается западными учеными. Родес полагает, что для "большинства типичных условий орошения уровень грунтовых вед должен быть удержан ниже 180-200 см для среднетекстурных почв". Конечно, это зависит от глубины дрен и величины междрений. Чтобы держать минерализованные воды ниже уровня 200 см, дрены придется закладывать на глубину 2,5 м. В условиях климата Сахары или пустынь Азии, Чили, Перу глубину дрен придется доводить на лёссовых и пылеватых грунтах до 2,5-3,5 м, как это показано нами выше на примерах Узбекистана, Таджикистана и др.