Поиск

Типы баланса грунтовых вод засушливых районов
29.10.2015

На основе анализа условий питания и расхода грунтовых вод мы дали в 1946 г. классификацию типов баланса грунтовых вод с точки зрения понимания процессов формирования засоленных почв и рекомендаций мелиоративных мероприятий по их рассолению. Последующие годы показали, что этот принцип целесообразно распространить и па незасоленные почвы. Следует различать следующие важнейшие особенности в динамике и балансе грунтовых вод:
1) компенсированы или декомпенсированы приходные статьи годового цикла грунтовых вод расходными статьями;
2) какие ведущие факторы или группа ведущих факторов определяют составные элементы и знак баланса грунтовых вод;
3) какие элементы расходной части баланса грунтовых вод преобладают и, в частности, каково соотношение расходов грунтовых вод на отток и суммарное испарение. Исходя из этих положений, нами было предложено установить для условий России следующие основные типы баланса грунтовых вод:
- установившийся компенсированный,
- неустановизшийся положительно декомпенсированный,
- неустаиовившийся отрицательно декомпенсированный.
Учет существования этих основных типов баланса грунтовых вод удовлетворительно объясняет процессы гидроморфного почвообразования естественного и вторичного засоления и заболачивания, а также явления выноса и геохимической аккумуляции веществ при почвообразовании. Кроме того, эти типы баланса грунтовых вод помогают лучше формулировать задачи водных мелиораций.

Установившийся компенсированный (циклический) тип

Данный тип баланса грунтовых вод слагается в таких условиях, когда суммарный ежегодный приток грунтовых вод более или менее полностью компенсируется суммарным ежегодным расходом. В этом случае I=Q. При подобном составе баланса грунтовых вод их запас из года в год остается в пределах небольших ежегодных колебаний стабильным. Сезонная динамика уровня грунтовых вод воспроизводится каждый год с отклонениями, вызываемыми лишь различиями метеорологических условий. Как отмечено выше, грунтовая вода может расходоваться в основном на подземный сток, транспирацию или испарение с тем или иным сочетанием этих статей. Соответственно необходимо выделить следующие подтипы:
а) компенсированный подземным стоком — I=Qgw. Этот подтип баланса грунтовых вод формируется на хорошо дренированных территориях с глубокими грунтовыми водами. Почвы таких территорий находятся на той или иной стадии естественного выщелачивания;
б) компенсированный подземным стоком и транспирацией — I=Qgw + Qt. Для территорий, имеющих этот подтип баланса грунтовых вод, характерно их залегание на глубинах 2—5 м и меньше, вследствие чего-к оттоку прибавляется их расход на транспирацию. Типичны луговые плодородные почвы, мало затронутые процессами засоления, исключая накопление извести, гипса. Иногда возможно накопление соды или сернокислого натрия. Грунтовые воды в этом случае в большинстве пресные или слабоминерализованные;
в) компенсированный подземным стоком, транспирацией и испарением — I=Qgw + Qt + Qe- Этот подтип широко встречается в практике орошаемого земледелия. Благодаря сочетанию оттока и суммарного испарения возможна достаточно высокая устойчивость солевого баланса и плодородия почв. Нередко это достигается строительством развитой глубокой дренажной сети. Данные табл. 18 иллюстрируют рассматриваемый подтип баланса грунтовых вод восточной части Голодной степи. Почти 50% расходной части баланса грунтовых вод идет на испарение и транспирацию. Естественно, что процессы геохимической аккумуляции и соленакопления столь характерны для Голодной степи;
Типы баланса грунтовых вод засушливых районов

г) компенсированный транспирацией и испарением — I=Qe + Qt. Этот подтип баланса формируется на территориях недостаточной дренирован-ности, сложенных породами малой проницаемости. Грунтовые воды залегают близко к поверхности — 1,5—3 м. Амплитуда их колебания значительная — 50—100 см. Минерализация грунтовых вод иногда повышена. В сухом климате почвы отличаются повышенной щелочностью и некоторой засоленностью. При орошении часто происходят интенсивное заболачивание и засоление. При освоении рекомендуется сооружение дренажной сети для понижения уровня грунтовых вод и улучшения их общей циркуляции и оттока;
д) компенсированный испарением — I=Qе. Этот подтип распространен территориально значительно меньше, чем предыдущие. Характерен для бессточных территорий, сложенных малопроницаемыми тяжелыми осадочными породами в дельтах, низменностях, депрессиях, по берегам озер и морей. Грунтовые воды залегают на глубинах 0,5—2 м. Амплитуда сезонных колебаний их резкая — до 1,5 м. Иногда грунтовые воды выклиниваются на поверхность. Расход грунтовых вод происходит главным образом прямым испарением через почву и капиллярную кайму. Этот ведет за собой интенсивное засоление грунтовых вод и почв. Грунтовые воды обладают минерализацией порядка 40—70 г/л и больше. В качестве примера, иллюстрирующего чисто испарительный баланс грунтовых вод, приводим данные М.М. Крылова (табл. 19). Успешное освоение подобных территорий возможно лишь при строительстве глубокого интенсивного дренажа и промывках для снижения уровня и оттока минерализованных солевых рассолов.
Типы баланса грунтовых вод засушливых районов

Неустановившийся положительно декомпенсированный тип

Ведущим признаком этого типа режима и баланса грунтовых вод является систематическое увеличение их запаса в результате того, что суммарный общегодовой приток грунтовых вод оказывается больше суммарного годового их расхода и не балансируется (не компенсируется) последним. Подобный баланс грунтовых вод ведет к увеличению их запаса и к подъему уровня из года в год. Характерно ежегодное повышение уровня максимального и минимального стояния зеркала грунтовых вод. Ежегодный график сезонной динамики уровня грунтовых вод не воспроизводится. Иногда интенсивность общего увеличения запаса грунтовых вод настолько велика, что график динамики уровня приобретает характер ступенчатого или линейного подъема. Положительная декомпенсация может быть связана с разными причинами:
а) увеличением приходных статей,
б) уменьшением расхода грунтовых вод при сохранившемся или увеличенном их притоке.
Декомпенсация баланса грунтовых вод вследствие увеличения их питания (инфильтрация из водохранилищ, каналов и на полях) может сказаться на грунтовых водах, залегающих даже на такой глубине, как 30—40 м. По мере приближения уровня грунтовых вод к дневной поверхности при этом будет возрастать их минерализация (вследствие растворения по пути движения солей, находящихся в грунтах), а также будет увеличиваться доля их расхода на испарение, транспирацию и подтопление окружающих территорий.
Когда зеркало грунтовых вод перейдет критическую глубину, интенсивность расхода их на испарение и транспирацию окажется настолько большой, что может наступить вторичная компенсация и уровень грунтовых вод установится на некоторой средней постоянной глубине.
Однако почвы оросительной системы при этом подвергаются интенсивному заболачиванию и вторичному засолению. Формирование в пределах ирригационной системы положительно декомпенсированного типа грунтовых вод, как правило, влечет за собой катастрофические последствия для плодородия почв, состояния дорог, построек и здоровья населения.
Для управления динамикой грунтовых вод и предотвращения опасности формирования этого типа их баланса необходимо всемерное уменьшение приходных статей за счет строительства закрытой оросительной сети, улучшения качества и техники поливов, введения дождевания. Если перечисленных мероприятий оказывается недостаточно, необходимо сооружение развитой дренажно-коллекторной сети или насосных колодцев для организации интенсивного искусственного оттока грунтовых вод и стабилизации их баланса.
Неустановившийся отрицательно декомпенсированный тип

Ведущим признаком баланса и режима грунтовых вод данного тина является прогрессивное уменьшение запаса грунтовых вод и ежегодное понижение их уровня. Это происходит в результате того, что суммарный ежегодный приход оказывается меньше суммарного ежегодного расхода грунтовых вод. Введение на орошаемой территории этого типа баланса грунтовых вод быстро ведет к оздоровлению оросительной системы, если она подвергалась вторичному заболачиванию. Процесс опускания уровня грунтовых вод по максимуму и минимуму их сезонного залегания может растягиваться на несколько лет.
Необходимо различать по крайней мере два подтипа:
а) отрицательно декомпенсированный вследствие уменьшения питания грунтовых вод;
б) отрицательно декомпенсированный вследствие улучшения стока.
Так, если в оросительной системе осуществляются мероприятия, направленные на рационализацию использования воды путем планирования и ограничения поливных норм, улучшения технического состояния каналов, введения поливов дождеванием, то источники питания грунтовых вод будут сокращаться, и это приведет к желаемой декомпенсации баланса с общим снижением уровня грунтовых вод. Формирование данного подтипа баланса грунтовых вод чрезвычайно благопрятно для орошаемой территории, так как при этом уменьшается степень заболачивания, уменьшается интенсивность засоления, которое иногда даже сменяется рассолением, повышается общая продуктивность полей.
Данный путь — один из наиболее дешевых способов общего оздоровления орошаемой территории, подвергнувшейся вторичному заболачиванию. Отрицательно декомпенсированный за счет уменьшения питания подтип баланса грунтовых вод со временем переходит в компенсированный тип, поскольку устанавливается новое соотношение между приходом и расходом грунтовых вод. По мере снижения уровня грунтовых вод ослабляется их расходование на испарение и транспирацию, что влечет за собой стабилизацию их залегания на большей глубине.
Подтип отрицательно декомпенсированного режима грунтовых вод вследствие увеличения их подземного оттока является результатом осуществления программы строительства дренажных каналов или откачки грунтовых вод через систему дренажных колодцев. Этот процесс имеет место и в естественных условиях в связи с развитием рассеченного рельефа вследствие поднятия местности и благодаря углублению гидрографической сети при эрозии. Ho в основном этот подтип баланса грунтовых вод характерен для территорий орошаемого земледелия, на которых сооружена и интенсивно работает дренажно-коллекторная сеть.
После сооружения дренажно-коллекторной сети баланс грунтовых вод подвергается коренному изменению, так как происходит значительное возрастание расхода грунтовых вод на отток. Даже если условия питания грунтовых вод остаются практически теми же, то увеличение расхода их на отток вызывает общее снижение их уровня, наступающее в течение нескольких лет. Примерами осуществления таких мероприятий являются оросительные системы Бухарского оазиса, долины р. Вахш, Центральной Ферганы. Во всех этих случаях декомпенсация баланса грунтовых вод путем усиления их дренажного оттока прекращала вторичное заболачивание и облегчала ликвидацию засоленности почв. Осушение болотных почв влажных климатов (Колхида, Полесье, Прибалтика) также вызывает на несколько лет отрицательную декомпенсацию режима грунтовых вод. Задачей правильно спроектированных осушительных мелиораций является организация управляемого транспирационного водного режима почв при сохранении субирригации как главной расходной статьи баланса грунтовых вод и при понижении грунтовых вод до оптимального уровня.
Общий анализ имеющегося материала позволяет видеть, что компенсированный тип режима и баланса грунтовых вод характеризуется значительной стабильностью во времени. Декомпенсированные типы (положительно и отрицательно) баланса сравнительно кратковременны, они охватывают промежуток 5—10 лет, после чего в процессе балансирования приходных и расходных статей переходят во вторично компенсированные типы. В заключение этого раздела приводится обзорная таблица главнейших типов режима грунтовых вод применительно к условиям России (табл. 20).
Типы баланса грунтовых вод засушливых районов
Типы баланса грунтовых вод засушливых районов