Поиск

Глубина заложения осушительной сети
17.08.2015

При мелиорации пойм и их интенсивном сельскохозяйственном использовании глубина осушительной сети имеет большое практическое значение. От глубины регулирующей сети зависит глубина проводящей сети и водоприемника, а иногда и механический или самотечный отвод воды. На глубину заложения осушительной сети влияет тип пойм, водное питание, возделываемые культуры, глубина понижения грунтовых вод, состояние водоприемника и возможность его регулирования, целесообразность механического водоподъема, экономическая эффективность.
Часто независимо от разнообразия природных условий и использования поймы осушают мелкой закрытой или открытой сетью. Разумеется, нельзя считать эту сеть совсем непригодной для осушения пойм или, наоборот, утверждать, что только она способна создать в почве необходимый водный режим. В одних условиях более эффективна мелкая сеть, в других — глубокая, в третьих — комбинация глубокой и мелкой сети.
На выбор глубины сети влияет геологическое строение поймы. Если грунты маловодопроницаемы и не имеют фильтрующих прослоек, расположенных на значительную глубину, строить глубокую регулирующую сеть в большинстве случаев нецелесообразно. А при хорошо фильтрующих грунтах, слабопроницаемых минеральных и торфяных, подстилаемых хорошо фильтрующими грунтами, глубокие каналы или дрены, заложенные в водоносный пласт, дают большой осушительный эффект. Даже на низинных торфах значительной мощности глубокий дренаж действует эффективнее мелкого.
При грунтово-напорном питании наибольшее снижение напорности достигается глубокими каналами, прорезающими верхние маловодопроницаемые минеральные грунты Или торф до водоносного напорного пласта, или дренами, заложенными в водоносный пласт, или вертикальным дренажем, или их комбинацией. Ho для ускорения стока паводковых вод и атмосферных осадков при широких поймах, водонепроницаемых грунтах и малых уклонах, кроме глубоких каналов и дрен, рассчитанных на понижение грунтово-напорных вод, необходима открытая сеть или закрытые собиратели.
Глубина заложения осушительной сети зависит от нормы осушения. Например, при грунтовом питании обычные нормы осушения можно обеспечить как мелким дренажем или открытой сетью, так и глубокими редкими каналами или дренами, но более глубоких норм осушения не достигнуть мелким дренажем, как бы его ни сгущали.
Грунтовые воды иногда опускаются ниже уровня дрен в засушливые периоды при усиленном испарении или при использовании сифонного дренажа. Значительные трудности при проектировании глубины заложения дрен и каналов приходится преодолевать, когда одни и те же участки поймы в разные годы занимают разными культурами, для которых требуется неодинаковая влажность (например, травы и овощные культуры). Кроме того, даже относительно плоские поймы обладают чрезвычайно сложным микро- и мезорельефом. При одинаковой глубине каналов и дрен одни культуры страдают от избытка, другие — от недостатка влаги в почве в разные годы. Ho и выращивать одни и те же культуры на одних и тех же участках недопустимо.
Лишь травы на богатых торфяных почвах несколько лет дают высокие урожаи сена на одном и том же участке, а капуста и картофель заболевают. Другие культуры на торфяных почвах пойм и сами почвы для сохранения структуры требуют введения в севообороты трав. Следовательно, на большей части территории пойм будут выращиваться разные культуры с разными требованиями к водному и другим режимам, поэтому глубину заложения дрен, каналов, водоприемника следует назначать по наиболее требовательным к осушению культурам (конечно, с учетом занимаемой площади). Ho при смене культур на полях глубины заложения дрен остаются постоянными, и возникает необходимости увлажнения почв пойм в засушливые периоды вегетации для культур, требующих меньших норм осушения. Все постоянные элементы увлажнительных систем нужно проектировать с учетом неблагоприятных погодных условий и природных особенностей отдельных участков поймы.
В связи с развитием механизации сельскохозяйственных работ и более интенсивным использованием осушенных земель А.Д. Брудастов в 30-х годах предложил при осушении земель грунтового питания перейти от частой мелкой открытой сети к редким глубоким каналам с расстоянием 400—600 м, врезающимся своими доньями в подстилающие торф водопроницаемые грунты.
Глубокие каналы, по идее А.Д. Брудастова, должны быстрее мелких понизить грунтовые воды на необходимую сельскохозяйственным культурам глубину, сбросить вековые запасы воды с болота и создать свободную регулирующую зону между поверхностью земли и грунтовыми водами, способную вмещать выпадающие атмосферные осадки и своевременно отводить избыточные воды, обеспечить возможность производства сельскохозяйственных работ современными машинами.
Тогда же (в 30-х годах) начались лабораторные исследования работы дренажа, например, влияния глубины заложения дрен на глубину и скорость понижения уровня грунтовых вод. Полевые исследования не проводились, потому что в то время дренаж почти не применялся. Лабораторные исследования позволили изучить работу дренажа и дали возможность выявить количественные и качественные изменения основных факторов в зависимости от глубины дрен.
Автор выполнил лабораторные исследования влияния глубины заложения дрен на понижение уровня грунтовых вод в лотке и на интеграторе Е.А. Замарина. Исследования проводились в Московском гидромелиоративном институте в лотке (длиной 744 см, шириной 69, высотой 80 см), заполненном люберецким песком (на глубину 60 см). Коэффициент фильтрации песка составлял 0,023 см/с; удельная водоотдача — 0,23. По высоте лотка через 10 см, начиная от дна, было размещено пять рядов дрен. При неустановившемся движении определяли время достижения заданной глубины понижения грунтовых вод при одной и той же мощности пласта, при одинаковом положении начального уровня грунтовых вод, но при разных глубинах заложения дрен.
Лоток с песком полностью насыщали водой (аналогично насыщению грунта водой после дождя), после чего открывали исследуемую дрену. Через определенные интервалы времени по пьезометрам отмечали уровни грунтовых вод и замеряли соответствующие расходы из дрен. После окончания опытов с одной дреной лоток снова наполняли до прежнего положения водой, включали следующую дрену и т. д.
Если нанести на ось ординат глубины понижения грунтовых вод, а на ось абсцисс время понижения, то можно проследить, как будет изменяться положение уровня грунтовых вод во времени при разных положениях дрен (рис. 50).

Глубина заложения осушительной сети

В начальный период скорость понижения уровня грунтовых вод наибольшая, с течением времени отток из дрен и скорость понижения уменьшаются. Чем глубже заложены дрены, тем быстрее и на большую глубину понижается уровень грунтовых вод.
При установившемся движении изучалось влияние разной глубины заложения дрен на понижение уровня грунтовых вод при постоянной мощности водоносного слоя и одинаковой интенсивности атмосферных осадков, выпадающих на поверхность осушаемого грунта. В вариантах опытов изменяли интенсивность осадков. Приток воды равнялся оттоку из дрен. Включали дрену на определенной глубине, подавали заданный расход. Через некоторое время устанавливалась кривая депрессии. По пьезометрам фиксировали уровни грунтовых вод и замеряли соответствующие расходы из дрены.
Чем глубже заложены дрены, тем ниже при одном и том же расходе расположена поверхность грунтовых вод. С изменением величины расхода изменяется положение грунтовых вод.
На рисунке 51 показано влияние разной глубины заложения дрен при одинаковом расстоянии на понижение уровня грунтовых вод при установившемся движении. При установившемся и неустановившемся движении дрены, заложенные на водоупоре и на 85—90% выше него, действуют примерно одинаково.
Глубина заложения осушительной сети

На рисунке 52 приведена зависимость понижения уровня грунтовых вод при одинаковой глубине заложения дрен и разных расстояниях между ними. Чем больше расстояния между дренами, тем на меньшую глубину понижаются грунтовые воды (рис. 53, 54).
Опыты проводили и на интеграторе, предложенном Е.А. Замариным. Интегратор представляет собой лоток (размерами 40x60 см), состоящий из двух стекол, расположенных на расстоянии около 1 мм друг от друга, заполняемый подкрашенным глицерином или маслом. По обоим концам лотка расположены дрены. На стеклянных стенках лотка нанесена сетка, чтобы наблюдать за изменением положения поверхности глицерина при работе дренажа и делать отсчеты.
Глубина заложения осушительной сети

Интегратор позволяет проследить весь процесс понижения поверхности грунтовых вод во времени и выявить влияние глубины и расстояний между дренами на скорость понижения грунтовых вод, установить форму кривой депрессии. На этом же интеграторе видно влияние глубины водоупора на понижение уровня грунтовых вод. Опыты показывают, что при одной и той же глубине дрен чем глубже от них располагается водоупор, тем быстрее достигается «норма осушения», тем больше могут быть расстояния между дренами, заложенными на одинаковой глубине.
По результатам исследований проведена проверка формул для расчета расстояний между дренами (см. ниже).
В 1946—1947 гг, А. Д. Брудастов предложил осушать глубокими каналами болота Барабы, Мещеры и Кировской болотной станции. Д.П. Юневич на основании исследований на Кальском болоте пришел к выводу о целесообразности и эффективности осушения болот глубокими каналами. При глубоком осушении повысилась аэрация, улучшились водно-физические свойства торфяных почв, увеличилась активная порозность с 5—7,5 до 10%, запас активной влаги в метровом слое составил 450—500 мм; ускорилось на 3—5 дней оттаивание торфяной почвы; на 1,5—2° повысилась температура почвы, создались условия для лучшего развития корневой системы.
Глубина заложения осушительной сети

В Кировской области исследования осушения болот глубокими каналами проводил В.Ф. Митин.
На Кировской лугоболотной станции при мелком осушении, при глубине грунтовых вод за вегетацию около 60 см травы, давали низкие урожаи (в среднем 43 ц/га). После замены мелких каналов глубокими (около 2,5 м), обеспечивающими понижение уровня грунтовых вод на 120—140 см на расстоянии 230—270 м от канала, средние урожаи трав за семь лет повысились до 83—96 ц/га.
Н.Ф. Лебедевич (Минская опытная болотная станция) на старопахотных высокоокультуренных торфяных почвах, глубоко осушенных (в среднем за вегетацию до 2 м) без применения шлюзования в засушливые годы, получил высокие урожаи культур, требовательных к азоту и аэрации почвы (картофеля, сахарной свеклы, конопли), одинаковые с обычным осушением урожаи зерновых и более низкие урожаи многолетних трав. При нормальном и глубоком осушении на высокоокультуренных старопахотных торфяных почвах корни сельскохозяйственных растений, глубоко проникающие в почву, способны извлекать из нее 250—300 мм почвенной влаги. Хорошая аэрация пахотного и подпахотного слоев почвы обеспечивает глубокое (100—120 см) проникновение корней растений в почву и интенсивное образование нитратов. Повышается температура почвы, особенно в первые месяцы вегетации.
К недостаткам глубокого осушения относят: необходимость шлюзования полей, занятых многолетними травами, и накопление огромного избытка нитратного азота в глубоких слоях торфяной почвы, которые выносятся водой.
На слабоокультуренных болотах безнапорного питания глубокое опускание уровня грунтовых вод (глубже 110—120 см) в засушливый период вызывает снижение урожайности культур. К этому выводу пришли Н.Ф. Лебедевич и и А.И. Ивицкий, опираясь на опыты, проведенные на впервые освоенных болотах Полесской низменности.
А.И. Ивицкий рекомендует для северо-западной зоны России более глубокие нормы осушения для торфов большой мощности при устойчивом водном режиме (120—130 см).
На опытном участке в пойме р. Яхромы (В.Я. Черненок) выполнены исследования работы глубокого дренажа. Участок площадью 71 га состоит из торфяника мощностью 3—4 м со степенью разложения торфа 40—60%, объемным весом 0,18—0,25 г/см3, удельным весом 1,7—1,85 г/см3, порозностью 79—88% от объема, водоотдачей 8%, коэффициентом фильтрации 0,06—0,33 мм/сутки. Дренаж заложен на глубину 1,7—2 м с расстояниями 20, 30 40 и 60 м и на глубину 0,8—1,2 м с расстояниями 20 и 40 м.
Проведены наблюдения за грунтовыми водами, дренажным стоком, влажностью и температурой почвы, осадкой торфяника, испарением, размерзанием торфяника весной, развитием сельскохозяйственных культур и их урожайностью. Кроме того, определяли водопроницаемость торфа, водоотдачу и т. д. Четырехлетними исследованиями установлено, что глубокий дренаж обеспечивал устойчивое понижение грунтовых вод на 70—85 см от поверхности весной и на 80—150 см в вегетационные периоды. При обычном дренаже грунтовые воды опускались на глубину 30—50 см (с выходом на поверхность), в вегетационный период — на глубину 50—90 см, а в засушливый — на 60—110 см от поверхности. Одновременно проводили наблюдения за влажностью почвы в вегетационные периоды 1962—1965 гг. На рисунке 55 изображены хроноизоплеты влажности на участке, осушенном глубоким и обычным дренажем.
Глубина заложения осушительной сети

Во влажном году, когда осадков выпало 637,2 мм или 129% от нормы, при осушении глубоким дренажем влажность почвы в слое 0—50 см составляла 55—75% от объема, содержание почвенного воздуха — 15—30%, при осушении обычным дренажем влажность была 68—82%, содержание воздуха — 4—18%.
В 1963 г., когда осадков выпало 396,9 мм, или 80% от нормы, влажность почвы при глубоком дренаже составляла 62—75% от объема, содержание воздуха равнялось 11—23%, при обычном дренаже влажность почвы была на 10% выше.
В засушливом году, когда осадков было 279,6 мм, или 57% от нормы, влажность почвы в слое 0—50 см при осушении глубоким дренажем составляла 35—60%, содержание воздуха равнялось 27—51%, при обычном дренаже влажность почвы была 41—70%, а на глубине 50—100 см при глубоком осушении повышалась до 75%, при обычном — до 83%.
В 1965 г., когда осадков выпало 543,2 мм, или 110% от годовой нормы, влажность почвы при осушении глубоким дренажем изменялась от 50 до 75%, при обычном — от 55 до 85%.
Опытами установлено, что при глубоком дренаже почва оттаивает на 10—12 дней раньше, чем при обычном; температура почвы повышается; создается регулирующая емкость, обеспечивающая поглощение талых вод и выпадающих осадков; сток из дрен более выравнен, а во влажные и средневлажные он возрастает; урожаи овощей получаются выше. Оптимальные расстояния между дренами при глубоком дренаже равны 30—40 м.
Ц.Н. Шкинкис установил, что при осушении легких и среднетяжелых минеральных почв средняя глубина грунтовых вод при глубоком дренаже (1,5 м) на 0,4 м ниже, чем при мелком (0,9 м). Он рекомендует закладывать дрены на глубину (м): на легких и среднетяжелых минеральных почвах 1,3—1,5; на тяжелых слабопроницаемых почвах 1,2—1,3; на глубоких торфяных почвах 1,4—1,5. С учетом ежегодной сработки торфа на 1,5—2,5 см при увеличении глубины заложения на 10 см срок службы дренажа возрастает примерно на 5 лет.
Против глубокого осушения торфяных пойменных почв высказывается И.Н. Скрынникова, которая считает, что последствия глубокого осушения торфяных почв (усиление разложения торфа в подпахотных горизонтах, падение влагоемкости торфа, сильное пересушение пахотного слоя) рано или поздно приводят к падению плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. Такое мнение о глубоком осушении торфяных почв яхромской поймы можно объяснить, видимо, тем, что И. Н. Скрынникова проводила свои исследования на участках, осушенных только мелким дренажем или мелкими каналами, и не имела возможности сопоставить результаты обычного осушения с глубоким. Исследования В.Я. Черненка на этой же Яхромской пойме не подтверждают выводов И.Н. Скрынниковой.
Приведенные результаты исследований глубоких каналов показывают их преимущества в определенных условиях и для определенных культур перед мелкими каналами и дренами.
Глубокие каналы или глубокий дренаж должны найти широкое применение при осушении пойменных земель грунтового, грунтово-напорного, аллювиального питания в зависимости от природных особенностей поймы. Они способствуют более быстрой минерализации торфа и освоению болот, улучшению воздушного режима почвы (повышению содержания кислорода, уменьшению углекислоты), созданию более равномерного водного режима, позволяют значительно увеличить расстояния между дренами для достижения обычных норм осушения при уменьшении стоимости осушения. При таком осушении большинство сельскохозяйственных культур дает более высокий урожай.
К недостаткам глубоких каналов и дрен на поймах можно отнести необходимость увеличения глубины всех каналов, в которые они впадают, и водоприемников. В случае невозможности углубления последних неизбежен переход с самотечного на совместный самотечный и механический отвод воды. Поэтому глубокие каналы нельзя рассматривать изолированно от всей системы, так как прибавки в урожаях, которые могут получиться при глубоком осушении в некоторых условиях, иногда не оправдывают затрат, связанных со строительством и эксплуатацией системы.
Необходимо учитывать, что при глубоком осушении требуются более высокие оросительные и поливные нормы, чем при обычном осушении.
Принцип действия глубоких каналов на низинных болотах, восполнение вод которых после понижения уровня грунтовых вод на заданную глубину происходит только за счет атмосферных осадков, отличается от пойменных болот, где при ежегодном паводковом затоплений грунт вновь на полную глубину насыщается водой.
Имеющийся опыт осушения глубокими каналами низинных болот нельзя механически переносить на пойменные земли, но нельзя его и игнорировать, проводя осушение только мелкими каналами или обычным дренажем. Необходимо смелее применять редкие глубокие каналы и глубокий дренаж и изучать результаты их применения в производственных условиях.
При изысканиях следует обращать большое внимание на определение глубины залегания водоупора и учитывать его положение и особенности при определении глубины заложения дрен и расстояния между ними или каналами. При одинаковых глубинах заложения дрен и каналов, но при разном положении их от водоупора можно значительно изменять расстояния между ними.