Поиск

Данные, необходимые для изучения и прогноза водно-солевого баланса
19.11.2015

Необходимые исходные материалы

Территория проектной оросительной системы должна быть обеспечена данными по литологии грунтов на глубину до 20-50 м (хотя бы в нескольких пунктах); данными о глубине и минерализации грунтовых вод с полным ионным составом грунтовых вод (на 2-3 м в глубину водоносного горизонта): достоверными данными о напорности или безнапорности грунтовых вод, а также о сезонном колебании уровня и химического состава; детальными данными о физических свойствах почв и- грунтов: скважности, гравитационной скважности (коэффициент водоотдачи), полевой влагоемкости, коэффициенте завядания, удельных и объемных весах, потенциальной высоте капиллярно-пленочных растворов (в частности, величине ускоренного движения капиллярных растворов); данными химических анализов о содержании углекислого кальция, гипса, легкорастворимых солей детально (через 5-10 см) в верхних горизонтах и через 30-50 см в глубоких подпочвенных горизонтах; данными о величине потенциального испарения с поверхности почвы при разной степени влажности и при разной глубине залегания грунтовых вод (эти данные желательно получить экспериментальным путем на монолитах или лизиметрах); данными о расходе влаги на транспирацию культурными растениями при проектируемых величинах урожая продукции и соответственных величинах биомассы (включая корни).
Территория балансовых расчетов должна иметь детальные карты литологии, геоморфологии, микротопографии и почвенного покрова.
Последовательность работ

На основании анализа указанных научных материалов и с учетом проектируемой сети ирригационных каналов и сооружений и возможной разбивки полей вся территория балансового массива подразделяется на основные (базовые) почвенно-геоморфологические блоки (единицы расчетов). При этом надо иметь в виду максимально возможную по имеющимся научным данным однородность выделенных балансовых единиц. Однородность желательно обеспечивать как в пределах мезо- и микрорельефа и почвенного покрова, так и в толще подстилающих грунтов на глубины порядка 10-20 м в среднем и в пределе до глубин 50 м. Если данные гидрогеологических исследований обнаруживают разнородность литологии грунтов, и в особенности различия в уровне и химическом составе грунтовых вод и солей, находящихся в подстилающих грунтах, то выделенные единицы подразделяются на более подчиненные единицы, которые можно будет признать с точностью 10-15% однородными.
Подсчет исходных запасов различных солей в выделенных блоках (в почвенно-геоморфологических-мелиоративных единицах)

Имеется в виду, что каждый из выделенных балансовых контуров обеспечен данными для таких расчетов. Подсчитывается валовое содержание солей, находящихся в грунтах, грунтовых водах и почвах: углекислого кальция, гипса, сернокислого магния, сернокислого натрия, хлористого натрия и др. Особенно тщательно выясняется присутствие или отсутствие углекислых и двууглекислых солей Na (нормальной и углекислой соды), которые также включаются в расчет запасов солей в почве, грунтах и грунтовых водах. Подсчет ведется сперва в колонне сечением м2/кг, а в последующем перемножается на площадь каждого данного блока (в тонная). Целесообразно считать запасы солей для слоев: 0-25 см (пахотный горизонт); 0-50 см (главная зона корне обитания); 0-100 см; 0-150 ом, 0-200 см; 0-3 м, 0-5 м, 0-10 м, 0-15 м, 0-25 м, 0-50 м. Возможно, будет целесообразно подсчитывать не только кумуляционный запас солей, но и запас солей послойно (т.е. для 0-50 см, 50-100 см, 100-150 см, 150-200 см; 2-3 и, 3-5 м, 5-10 м, 10-15 м, 15-25 м, 25-50 м). Может возникнуть необходимость подсчета кумулятивных запасов солей не сверху вниз, а снизу вверх от зеркала грунтовых вод, имея в виду, что при подъеме грунтовые воды будут растворять и перемещать к поверхности все те солевые запасы, которые расположены в грунтах над зеркалом грунтовых вод. Возможно также, в связи с тал, что в глубоких подпочвенных грунтах степей и пустынь часто обнаруживается 5-8 погребенных почв и погребенных солевых горизонтов, будет целесообразно установить слои расчетов не по стандартным глубинам, а учитывая фактические глубины и мощности погребенных солевых горизонтов. Такой дифференцированный анализ солевых запасов позволит лучше разобраться в их происхождении, в различиях их химизма на разных глубинах и позволит лучше предвидеть возможные концентрации, состав, химические реакции между солевыми массами как в период фильтрации избыточных поливных вод в нисходящем направлении, так и в период подъема уровня грунтовых вод.
Особенно важно правильно подсчитать солевые запасы самих грунтовых вод. Надо иметь в виду, что растворяющим эффектом обладают лишь капиллярно-связанная и свободная вода водоносного горизонта. Поэтому из объема водных запасов водоносного горизонта необходимо исключить веду, связанную в кристаллической решетке солей (например, с гипсом), а также воду, находящуюся в абсорбированном состоянии (пленочная и, по-видимому, вода максимальной гигроскопичности). Все упомянутые подсчеты исполняются приемами, изложенными в курсах мелиоративного почвоведения Л.П. Розова, И.И. Ллюснина, а также в учебниках физики почв Н.А. Качинского и А.Ф. Вадюшшой.
Оценка роди ирригационной сети

Для оценки роли ирригационной сети необходимо знать, будут ли магистральные, распределительные и картовые каналы-оросители сооружаться в земляном грунте, или же они будут обеспечены гидроизоляцией, или же, наконец, они будут заключены в водонепроницаемые трубы. В каждом из этих случаев количество теряемой воды при ее транспорте и распределении в пределах оросительной системы и отдельных балансовых блоков будет различным. Для подсчета необходимо воспользоваться данными, принятыми в проекте. При обычной оросительной сети, сооружаемой в земляных грунтах, доля питания грунтовых вод путем фильтрации в магистральной, распределительной и картовой сети составляет 40-50% общих статей питания грунтовых вод. Полностью закрытая в трубы сеть практически исключает потери воды на фильтрацию как статью питания грунтовых вод массива. Гидроизоляция разного рода (бетонные плиты, различные облицовки) уменьшает потери, но не исключает их полностью. На основании величин коэффициента фильтрации и по аналогии с наблюдениями, полученными на существующих оросительных системах, экспертно определяется возможная ширина и протяженность приканальных территорий, которые окажутся под воздействием купола и гребней поднявшихся грунтовых вод в первые 2-3 года орошения, в последующие 5-6 лет и в дальнейшем через 10-15, 20-25, 50-60 лет. Нужно иметь в виду, что подъем грунтовых вод под влиянием фильтрации в ирригационных каналах является медленным, длительно идущим процессом, достигающим равновесия лишь через десятки лет. Полученные данные наносятся на карты прогнозов для последующего использования и интерпретации.
Оценка влияния вегетационных поливов на полях

Нужно иметь в виду, что типичным для степей, саванн, пустынь будет случай, когда до орошения грунтовые воды залегают на глубине 7-15-30 м и не участвуют в современном почвообразовательном процессе. В этих случаях для почв характерно преобладание в той или иной степени процессов рассоления. Начиная с глубин 50-100 см и глубже в почвах присутствуют остаточные сернокислые и хлористые соли (иногда углекислые) и их смеси. В целей, общий запас различных солей в грунтах на глубине 1-4 м колеблется в пределах 1-3%. При таких условиях, т.е. при опресненности верхних 50 си, орошение должно производиться только по дефициту до полевой влагоемкости. Норма поливной воды не должна превышать разницу между полевой влагоемкостью и фактической влажностью перед очередным поливом.
Известно, что устойчиво высокие урожаи большинства полевых культур (хлопчатника, яровой и озимой пшеницы, ячменя, подсолнечника, кукурузы, сои, сорго, проса и др.) могут быть получены, если поливы будут поддерживать относительную влажность в почве на уровне от 100% до 70% (по отношению к полевой влагоемкости). Иначе говоря, перед поливами относительная влажность не должна опускаться ниже, чем 70%. При закрытой хорошо армированной оросительной сети и при поливах сероземов, черноземных, коричневых и каштановых почв строго по дефициту до полевой влагоемкости потери на фильтрации на полях будут сведены к минимальным величинам. Это позволит сохранить исходный уровень грунтовых вод, либо же будет происходить медленное поднятие уровня грунтовых вод, что может растянуться на 40-50 лет, после чего потребуется дренаж. Все это позволит обеспечить благополучное мелиоративное состояние новоорошаемой территории. Промывные поливы, когда норма воды превышаeт водоудерживающую способность почв, здесь совершенно недопустимы. Они оправданны только в тех случаях, когда пахотные горизонты почвы имеют повышенный запас токсических солей, когда уровень грунтовых вод неглубок и они минерализованы и когда вегетация растений летом сопровождается заметным сезонным засолением почвы. Тогда при орошении необходимо применять повышенные нормы поливной воды (выше полевой влагоемкости), обеспечивающие удаление солей в глубину с нисходящим токая влаги. Имея в виду, что степи, пушты, саванны не ежегодно подвергаются засухам и что неожиданные дождливые сезоны пополняют в значительной мере запасы влаги в почвах, необходимо проектировать мобильные, легкоуправляемые оросительные системы. Транспорт и подача поливной воды должен полностью прекращаться, если влажность почв благодаря дождям, выпадающим во время вегетации растений, превышает величину 70-80%. Тем более недопустимы поливы в периоды выпадения атмосферных осадков, что нередко делается. Это одна из причин переполива почв в степных районах.
Оценка размеров естественного оттока грунтовых вод при их разной глубине

В тех оросительных системах, в которых потери воды на фильтрацию в сети крупных и второстепенных ирригационных каналов будут иметь место и в тех случаях, когда на поля будет допускаться водоподача, превышался потребности почвы и растений, обязательно будет происходить подъем уровня грунтовых вод. Скорость подъема уровня грунтовых вод будет определяться соотношением между суммарной величиной потери воды на полях и в сети каналов и расходом грунтовых вод на естественный дренажный отток. Пока грунтовые воды находятся глубже 7-8 м, можно считать, что расхода грунтовых вод на испарение и транспирацию практически не существует. Поэтому чрезвычайно важно для оросительной системы и ее частей определить фактические современные (при современней уровне грунтовых вед) расходы грунтовых вод на дренажный подпочвенный отток. С другой стороны, очень важно определить (рассчитать) потенциально возможный расход грунтовых вед на естественный дренажный сток при их поднимающихся уровнях. Целесообразно приблизительно подсчитать время (скорость), необходимое для достижения грунтовыми водами глубины 15, 10, 5, 3-2 м от поверхности.
Отток грунтовых вод на естественный дренаж будет возрастать параллельно повышению уровня (напора) грунтовых вод. Имея в виду мелкоземистый характер грунтов и почв саванн, степей и пустынь, крайне низкие величины гравитационной скважности и низкие коэффициенты фильтрации, можно думать, что величина естественного оттока грунтовых вод в большинстве будет не выше 15-20% от суммарного водозабора. Однако важно количественно определить эту величину. Солевой баланс местности определяется не только расходом объемов грунтовых вед, но больше концентрацией солей, растворенных в оттекающих грунтовых водах. При повышенных минерализациях грунтовых вод расход солей даже при малых объемах естественного дренажного оттока может оказаться значительным. Все эти вопросы должны быть предметом нескольких вариантов расчета с целью решения, возможно или невозможно бездренажное орошение и оценки потребности в дренаже инженерного типа, а также параметров и времени его включения в работу.
Определение скорости и объема подземного оттока грунтовых вод с помощью естественного дренажа имеет дополнительное значение для понимания процессов бокового перераспределения легкорастворимых солей на массиве в целом и между расчетными почвенногеоморфологическими - мелиоративными блоками (единицами) территории. В особенности это важно для оценки перераспределяющего в горизонтальном направлении влияния магистральных крупных и средних оросительных каналов, теряющих воду на фильтрации.
Исходя из согласованных с проектировщиками величин КПД, сети ирригационных каналов, а также вероятных неизбежных потерь оросительной воды на полях и на отдельных расчетных единицах (балансовых блоках), устанавливаются возможное время, скорость и последовательность повышения уровня грунтовых вод. Полученные данные наносятся на карту прогноза грунтовых вод. Если выясняется, что критической глубины грунтовые воды (2-3 м) достигнут через 3-5 лет после начала орошения, то дренажные сооружения следует проектировать и строить одновременно с оросительной сетью. Если же, по прогнозу, это может наступить через 20-30 лет, вопрос о дренаже или мерах предотвращения подъема грунтовых вод переносится на перспективу.
Определение величины расхода грунтовых вод на испарение и транспирацию

По мере приближения уровня грунтовых вод к поверхности, в балансе их начинает сказываться сначала транспирация через корневую систему и листву древесных и травянистых растений, а затем и испарение через почвенную толщу. Поэтому необходимо определить суммарно или раздельно величину испарительного расхода грунтовых вод при разных глубинах. Переломной величиной является выход уровня грунтовых вод на глубину 6-7 м, когда начинается их транспирациями выход уровня грунтовых вод на глубину 3-1,5 м, когда начинает господствовать их расход на испарение.
Интенсивность расхода почвенно-грунтовых вод на испарение и транспирацию должна быть определена по совокупности данных лизиметрических исследований и анализа зависимости динамики и минерализации грунтовых вод от их уровня. Последний вид зависимости был установлен В.А. Ковдой, а затем был подтвержден румынскими, голландскими и австралийскими исследователями. Графически эта зависимость выражается семейством гиперболических кривых. Эту зависимость всегда возможно перевести на математический язык и использовать в расчетах показателя расхода почвенногрунтовых вод на эвапотранспирацию при их равной глубине. В среднем можно принять, что при глубине 1,5-2 м величина возможной эвапотранспирации грунтовых вод примерно равна потенциальной испаряющей способности данной местности. Возможно, однако, это преувеличено и следует осторожнее принять величины порядка 60-75% от потенциальной величины испарения с поверхности водоема. Здесь целесообразно воспользоваться данными исследователя В.М. Легостаева, который обобщил полевые и лизиметрические наблюдения и дал таблицу доли участия грунтовых вод в транспирации и испарении при формировании урожая хлопчатника и люцерны.
Расчет скорости и времени подъема грунтовых вод (без введения инженерного дренажа)

В конечной счете, зная приходные статьи, связанные с орошением и атмосферными осадками, и зная расходные статьи, определяемые естественным подпочвенным стоком и эвапотранспирацией, можно рассчитать вероятный уровень грунтовых вод через 50-60, 20-25, 10-15, 5-6 лет работы оросительной системы. При этом надо воспользоваться существующим опытом наблюдений за динамикой грунтовых вод на существующих оросительных системах. Замечено, что при современном КПД и относительно низком уровне дисциплины водопользования, уровень грунтовых вод поднимается ежегодно со скоростью примерно 60-50 см, а иногда и 100 см в год. Если считать, что в дальнейшем потери на фильтрацию на полях и в оросительной сети будут коренным образом уменьшены, можно принять вероятные величины подъема уровня грунтовых вод в 20-30 см в год. Естественно, что скорость подъема уровня грунтовых вод и достижение ими стабилизированного установившегося режима, управляемого частично подземным оттоком и главным образом испарением и транспирацией, будут различными на разных ирригационных участках и геоморфологических мелиоративных блоках территории оросительной системы.
Расчет возможной минерализации грунтовых вод и засоленности почв

После завершения этой части работы необходимо определить возможную минерализацию и химический состав грунтовых вод на разных уровнях их положения. Выше отмечено, что для этого необходимо рассчитать запасы легкорастворимых солей в каждом блоке и послойно в каждом м3 или каждом дм3 почвы и подпочвенных грунтов. Зная запасы солей, зная коэффициент водоотдачи (гравитационную скважность), иными словами, зная объем воды, способный растворять легкорастворимые соли, можно подсчитать вероятную концентрацию и состав солей грунтовых вод при их залегании на глубине 20-25 м, 10-15 м, 4-5 м, 2-3 м. Надо, однако, иметь в виду, что движение раствора грунтовых вод через пористую толщу грунта и почвы будет сопровождаться не только растворением солей разного типа, но и целой серией реакций взаимного обмена между солями и реакциями катионно-анионного обмена с поглощенными ионами грунта и почвы. Для этого на кафедре почвоведения МГУ и в Новочеркасском институте гидротехники и мелиорации ставилась серия экспериментов по взаимодействию восходящего потока грунтовых вод с легкорастворимыми солями и поглощающим комплексом почв и грунтов. Картина получалась сложнее, чем мы ожидали. Однако наметился целый ряд закономерностей: возрастание общей минерализации, выпадение в осадок части сульфатов в виде гипса в связи с обменными реакциями, вытеснение поглощенного кальция натрием сульфатов и нарастанием общего количества хлоридов Nа и появлением хлоридов Ca в ходе обменных реакций при восходящем движении растворов. Учитывая эти данные и проверяя расчеты экспертным путем, можно в конечном счете установить как вероятную минерализацию, так и возможный химический состав грунтовых вод и состояние поглощающего комплекса грунтов и почв.
Исходя из концентрации солей в грунтовой воде, можно предвидеть химический состав капиллярной каймы, восходящей от зеркала грунтовых вод к поверхности почвы. Капиллярная кайма всегда в 3-5 раз более концентрированна, чем грунтовая вода. Если расчеты покажут, что капиллярная кайма и концентрации солей грунтовых вед оказываются сравнительно пресными, близкими по минерализации к так называемой "критической минерализации" грунтовых вод, то необходимости в интенсивном дренаже не будет. В разных геохимических провинциях и при разных режимах орошения величина критической допустимой минерализации грунтовых вод колеблется в пределах 1-6 г/л. Если же грунтовые воды, вышедшие на критическую глубину; окажутся с минерализацией выше физиологически приемлемой минерализации, т.е. на уровне 10-15 г/л и выше, то капиллярная кайма, питающая корневые системы И почвенный профиль, будет иметь минерализацию 25-75 г/л, т.е. резко токсическую; культурные растения не смогут существовать, почва станет неплодородной,урожай будет гибнуть. В этих случаях подсчеты покажут, что уже при глубине грунтовых вод 4-5 м потребуется ввести в операцию горизонтальный или вертикальный дренаж с тем, чтобы не допустить прямого влияния соленых грунтовых вод и солей капиллярной каймы на почвы и растения.
Особым случаем является установление (прогноз) опасности содового засоления грунтовых вод и капиллярной каймы почв. Это произойдет в том случае, если исходные грунтовые воды имеют содовый химический состав, что весьма распространено в зоне степей и саванн и других природных зонах. Второе, что способствует образованию грунтовых вод содового типа, - это наличие погребенных содовых и остаточных солонцовых горизонтов. В частности, такие случаи установлены в черноземах Донских степей. Есть подозрение, что это явление имеет место и в подпочвенных горизонтах черноземов юга Украины. Однако надо иметь в виду, что эти содовые и солонцовые горизонты переслаиваются с гипсовыми горизонтами. Поэтому восходящий поток содовых грунтовых вод может нейтрализоваться почвенным гипсом и в конечном счете грунтовые воды могут оказаться не содовыми, а сульфатными. Эта чрезвычайно важная сторона прогноза солевого баланса должна быть особенно тщательно разработана со стороны процессов физико-химии и геохимии.
Очень многое определяется, как показано выше, химическим составом оросительных вод; являются ли они пресными, порядка 0,2-0,3 г/л, или же они являются слабоминерализованными нейтральными (0,5-1 г/л) или, наконец, они являются слабоминерализованными содово-щелочными. В этом случае к приходный статьям легкорастворимых солей придется присоединять те легкорастворимые соли, которые присутствуют в оросительной воде. Надо иметь в виду, что оросительные воды с минерализацией 0,5-1 г/л очень часто бывают содово-щелочными. В этом случае прогноз, по-видимому, будет неблагоприятным, потребуется, кроме дренажных сооружений, дополнительно проектировать химические мелиорации, методы борьбы с солонцеватостью и слитостью (гипсование, использование кислых удобрений, использование кислых отходов в промышленности и др.).
Если анализ приходных и расходных статей солей в почвах и грунтовых водах покажет, что, несмотря на дренаж, минерализация грунтовых вод будет выше оптимально-физиологической (критической концентрации), то, согласно этому прогнозу, придется проектировать введение глубокого дренажа и промывной тип орошения (промывной тип поливов).
Совершенно другая ситуация складывается на тех территориях, которые засолены от природы и имеют близкие к поверхности соленые грунтовые воды (приморские низменности, низкие террасы и дельты рек, предгорные и межгорные депрессии) или уже подверглись засолению вследствие бездренажного орошения и неправильного освоения. Во всех этих случаях ведущими и первоочередными мерами для улучшения почв являются интенсивный дренаж, промывки и промывные вегетационные поливы. Здесь нужен прогноз рассоления почв и грунтовых вод как основа успешного орошения.