Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв

Подождите немного. Документ загружается.

0,04-0,08. Для торфяных почв а изменяется от 0,03 до 0,12. Макси-

мальные значения а имеют их поверхностные слои (очес). В неяв-

ном виде для расчета мелиоративных систем водоотдачу характери-

зуют модули дренажного стока. Модулем дренажного сто-

ка называется тот объем воды, который дренажная система может

отвести с единицы площади в единицу времени. Модуль дренажно-

го стока имеет размерность л/с

•

га или мм/с

•

га.

Наиболее правильно определять модули дренажного стока не-

посредственно на действующих осушительных системах или дре-

нажных устройствах ирригационных систем. Однако возможности

получения непосредственных данных о модулях дренажного (или

дренажного и поверхностного) стока на действующих инженер-

ных сооружениях пока еще ограничены. Поэтому сейчас нередко

используют данные о стоке, полученные в естественных условиях

на действующих водотоках. Такой анализ важен и для гидрологиче-

ских расчетов в бассейне тех рек, где ведется мелиоративное строи-

тельство. Очевидно, режим рек

динамичен и в каждый конкрет-

ный период он определяется

климатическими и погодными

условиями. Обычно для гидро-

логической характеристики рек

определяют нормы стока,

т.е.

среднемноголетние значе-

ния модуля стока в рассматри-

ваемом пункте, которые харак-

теризуют конкретный период

года. Поэтому говорят о нормах

стока в период пика паводка, на

спаде паводка, в предпосевной

период, в период летне-осенней

межени и т.д.

Нормы стока обычно со-

ставляют на основе исследова-

ния расходов водотоков (ручь-

ев,

рек) в многолетнем ряду.

Для получения таких данных в

границах водосбора с известной

площадью на реке организуют

гидрологический пост. В створе

Рис.

24. Изменение динамической

влагоемкости почвы и коэффициента

водоотдачи при различном уровне

грунтовых вод;

01дз

—

коэффициенты водоотдачи

при уровнях грунтовых вод УГВ-1,2,3

этого поста ведутся непрерывные (обычно ежесуточные) наблюде-

ния за расходами воды в водотоке. Зная расход воды (м

, л) в еди-

ницу времени и площадь водосбора (га, км

, м

), нетрудно опреде-

лить норму (модуль) стока для данного бассейна на интересующий

нас период:

ST '

где Q

—

расход воды в водотоке в единицу времени; S

—

площадь

водосбора; Т

—

время наблюдений.

Динамику изменения объемов и модулей стока, в частности,

объемов и модулей стока рек, закономерности прохождения пи-

ков паводка и состояние межени характеризуют гидрографы рек

|рис.

25).

Введем еще ряд важных показателей гидрологического состоя-

ния почв, имеющих определяющее значение для гидромелиоратив-

ных расчетов.

Москоккая область

Калининградская область

_t,°C

,,5 ^50

р.Бикин "I*"

Ш1Г «MtJMtit <ММ>'|М<

1Ш1М

Ui%iY iv kUbiWMH

.20

Рис.

25. Объемы и модули речного стока в различных областях Нечернозем-

ной зоны;

—

температура воздуха; 2

—

осадки; 3

—

испаряемость, мм; 4

—

объемы месяч-

ного стока, % от объема годового стока; 5

—

модули стока, л/екм

М.М. Абрамовой (1948, 1953) было установлено, что при опре-

деленном снижении влаги ниже предельной полевой влагоемкости

наступает состояние, при котором прекращается восходящее пере-

движение подвешенной влаги к поверхности испарения. Влаж-

ность, при которой происходит разрыв сплошности капиллярного

потока, устремляющегося к испаряющей поверхности, она назвала

влажностью разрыва капиллярной связи (ВРК).

ВРК, по А.А. Роде (1965), является второй после ППВ кон-

стантой, при которой наблюдается существенное изменение по-

движности почвенной влаги.

почвах бесструктурных или микро-

агрегатных на лёссах, лёссовидных суглинках, моренных слабока-

менистых

других суглинистых породах влажность, соответствую-

щая ВРК, составляет примерно около

70%

от ППВ.

структурных

почвах величина, соответствующая ВРК, равна

80—85%

от ППВ и

более. Величина влажности почв, соответствующая ВРК, является,

поС.И. Долгову (1948), нижним пределом оптимальной

влажности роста и развития растений. Поскольку при

влажности почв ниже ВРК происходит резкое ухудшение влаго-

обеспеченности растений и снижение урожайности культур, недо-

пустимо падение влажности почв ниже этой критической величи-

ны.

Поэтому в условиях орошаемого земледелия не следует допус-

кать снижения влажности почвы ниже ВРК.

расчетных условиях

оптимальная влажность почвы удерживается в интервале от ППВ

(или 0,95—0,90 ППВ) до ВРК или от предельной полевой влагоем-

кости (0,95—0,90 ППВ) до нижнего предела оптимальной влажно-

сти для роста и развития растений.

2.7.4. ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДНЫХ

ФАКТОРОВ ПРИ МЕЛИОРАТИВНЫХ РАСЧЕТАХ

Количественное проявление факторов почвообразования в мно-

голетнем ряду подвержено определенной изменчивости. Особен-

но сильно во времени варьируют гидрологические и термические

параметры (осадки, температура, поверхностный сток), характери-

зующие климатические и погодные условия мелиорируемой терри-

тории. Их вариабельность определяет изменчивость урожая, а

следовательно, и различную экономическую эффективность агро-

номических и мелиоративных мероприятий. Поэтому расчет мели-

оративных систем только по среднемноголетним характеристикам

оказывается недостаточным. В мелиоративной практике в настоя-

щее время при характеристике основных гидрологических и иных

параметров, используемых для инженерных расчетов мелиоратив-

ных систем, широко применяют их вероятностную оценку.

При вероятностной оценке расчетных параметров устанавли-

вают частоту появления (%) определенных критических величин

в многолетнем ряду. Мелиоративные сооружения строят исходя

из утвержденных для расчета параметров той или иной обеспечен-

ности. Например, для расчета дамб водохранилищ, сроков их за-

полнения, основных элементов осушительных и оросительных си-

стем возникает необходимость определения величин поверхност-

ного и дренажного стоков, осадков для лет различной, установлен-

ной государственными стандартами обеспеченности. С этой целью

имеющиеся данные многолетних наблюдений (например, по осад-

кам гидрометеослужбы, по стоку в определенном створе и т.д.) рас-

полагают в нисходящем порядке — так, как это обычно принято

при построении кривых повторяемости природных факторов в ма-

тематической статистике. Затем по этим кривым устанавливают аб-

солютные величины показателя, соответствующие заданной обес-

печенности, или обеспеченность в процентах заданной величины

того или иного показателя. Под обеспеченностью понимают

вероятность появления (%) в данном ряду искомой величины или

величины больше искомой. Например, если известно, что годовые

осадки 500 мм в многолетнем ряду имеют обеспеченность, равную

10%,

то это значит, что в течение 100-летнего промежутка времени

встречается 10 лет с осадками, равными 500 мм и более. Следую-

щий пример иллюстрирует методику обработки данных. Пусть в

результате длительных наблюдений (ряд из 30 лет) известны дан-

ные по количеству выпадающих осадков на мелиорируемом масси-

ве (от 250 до 450 мм ) в годы разной влажности. Интервал между

максимальными и минимальными значениями разбивают далее на

равные промежутки

—

классы (например, с шагом 25 мм). Классы

располагают, таким образом, в ряд по их убывающим средним зна-

чениям, которые в рассматриваемом случае укладываются в интер-

вал от 212 до 436 мм. Затем подсчитывают число лет с количеством

осадков, приходящихся на каждый класс (табл. 4). Для определе-

ния вероятности выпадения определенного количества осадков

или выпадения их в большем количестве, чем искомая величина,

строят кривые обеспеченности.

Для построения кривой обеспеченности (рис. 26) на оси абс-

цисс откладывают число лет наблюдений в процентах, принимая

общее количество лет за 100, на ординате — количество осадков

(температура, сток и т.д.) в интервале наблюдений. По кривой

обеспеченности можно узнать процент обеспеченности (вероят-

ность повторения) любого количества осадков (или иного расчет-

ного фактора). Для этого из точки на оси ординат, соответствую-

щей интересующему нас количеству осадков (например, 300 мм),

проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс до пересечения

этой линии с кривой. Затем из точки пересечения опускают пер-

пендикуляр на ось абсцисс ВС и находят соответствующий про-

цент обеспеченности (в данном случае 62%). Это значит, что в ин-

тервале 100 лет в течение 62 лет количество выпадающих осадков

будет равно 300 мм или более. По этой кривой обеспеченности,

очевидно, можно решать и другие задачи. Например, установить

Таблица 4

Подготовка данных для построения кривой обеспеченности осадков

Класс

Осадки, мм

450,0-425.1

425,0-400,1

400,0-375,1

375,0-350,1

350,0-325,1

325,0-300,1

300,0-275,1

275,0-250,1

250,0-225,1

225,0-200,1

Средняя величина

осадков, мм

437,5

412,5

387,5

362,5

337,5

312,5

287,5

262,5

237,5

212,5

Число

лет в

классе

Число лет с осад-

ками, соответствую-

щими данному и

предшествующим

классам

450г

Рис.

26. Кривая обеспеченности осадков (С.А. Владыченский, 1960).

Условные обозначения см. в тексте

Процент обеспеченности интересующей величины (осадков, стока

т.д.)- На основе известных данных приближенный расчет обеспе-

ченности можно выполнить по следующей формуле:

где Р

—

обеспеченность, (%); т

—

порядковый номер класса; л

—

общее число классов. Например, необходимо узнать обеспечен-

ность осадков, соответствующих классу 325—300 мм. Из данных

табл. 4 следует, что эти осадки укладываются в интервал 6-го клас-

са, а общее число классов в рассматриваемом ряду равно 10, поэто-

му обеспеченность рассматриваемого количества осадков равна

ттг-г

• 100 =

55%.

+ 1

При проектировании мелиоративных систем широко исполь-

зуют представление о вариабельности климатических (в частности,

гидрологических) данных при расчете инженерных конструкций,

оценке урожайности культур, экономической эффективности ме-

роприятий. Так, защитные дамбы в поймах рек при использовании

пойменных почв в овощных севооборотах обычно строят из расче-

та затопления поймы летне-осенним паводком 1%-й обеспеченно-

сти;

оросительные системы в сухостепной зоне рассчитывают на

90-95%

(для зерновых) и 75% (для трав) обеспеченность осадков.

Осушительные дренажные системы в зоне избыточного увлажне-

ния рассчитывают на своевременный пропуск осадков

5—10%-й

обеспеченности в вегетационный период при использовании тер-

ритории в полевых севооборотах и на пропуск осадков 25%-й обес-

печенности при размещении сенокосных угодий. При этом водо-

йроводящую способность дренажно-коллекторной сети рассчиты-

вают на пропуск весеннего паводка (в европейской части России)

в предпосевной период с модулями дренажного стока 10%-й обес-

печенности и т.д.

источники воды для

ОРОШЕНИЯ. ВИДЫ ОРОСИТЕЛЬНЫХ

МЕЛИОРАЦИИ. ПОСТОЯННО

ДЕЙСТВУЮЩАЯ ОРОСИТЕЛЬНАЯ

• СИСТЕМА

3.1.

ЗАДАЧИ ОРОШЕНИЯ И ПОТРЕБНОСТЬ

РАСТЕНИЙ В ВОДЕ

Орошение, или ирригация (от англ.

irrigation

— орошение)

—

система мероприятий по искусственному увлажнению почвы с це-

лью создания благоприятных условий для роста и развития расте-

ний. Орошение, увлажняя почву, оказывает на нее многофактор-

ное

действие.

При правильной организации орошения улучшаются

воздушный и тепловой режимы почвы, экологические условия

местообитания травянистой и древесной растительности.

Орошение используют

для

выращивания и повышения урожая

трав,

зерновых и овощных культур, хлопчатника, риса, чая, садов и

виноградников.

Его практически повсеместно применяют

сухостепной, полу-

пустынной и пустынной зонах европейской части страны, в Закав-

казье, в республиках Центральноазиатского региона, в южных рай-

онах Западной и особенно Восточной Сибири

—

в Туве, Хакасии,

Бурятии, Читинской и других областях, в Поволжье и Заволжье.

последние десятилетия орошение значительно продвинулось

на

север.

той или иной форме оно теперь применяется в сельско-

хозяйственном производстве практически всех широт.

гумидной

зоне его используют для создания высокопродуктивных зеленых

угодий

—

сенокосов и пастбищ (долговременных культурных паст-

бищ

—

ДКП),

а также для

возделывания овощных

культур,

преиму-

щественно

районах крупных населенных

индустриальных цент-

ров.

Независимо от территориального расположения в ороситель-

ных системах расход воды на полив должен быть экономичным и

соответствовать потребностям растений с целью создания плани-

руемого урожая. При оценке потребности растений в воде принято

учитывать два важных показателя

—

коэффициент транспирации

и коэффициент водопотребления. Коэффициентом транс-

пирации называется масса воды, транснирированная растением

за время его вегетации, пошедшая на образование единицы массы

сухого вещества (сухой массы всего урожая). Коэффициент транс-

пирации

—

динамичная величина. Его значения меняются в зави-

симости от почвенных, погодных и климатических условий. Для

одних и тех же культур коэффициент транспирации возрастает с

севера на юг и с запада на восток с увеличением засушливости

и континентальное™ климата. Транспирационный коэффициент

возрастает с увеличением влажности почвы. Поэтому при поли-

ве возможно увеличение непродуктивного использования влаги.

Улучшение агротехники и системы удобрений повышает урожай,

способствует более экономичному использованию влаги, уменьша-

ет коэффициент транспирации.

Расход влаги на орошаемом поле осуществляется не только за

счет транспирации. Весьма существенной расходной статьей вод-

ного баланса является физическое испарение с поверхности почвы.

Оно составляет около 25—50% расхода на транспирацию в вегета-

ционный период, а в течение года эти составные расходные статьи

водного баланса (транспирация и физическое испарение) прибли-

зительно равны.

В практических целях при водобалансовых мелиоративных

расчетах используют значения не транспирации (она отражает

лишь физиологическую составляющую потерь воды на орошаемом

поле),

а суммарное водопотребление или, короче, водопотребление.

Водопотреблением называется расход воды на транспи-

рацию и испарение с

га возделываемой культуры (м

/га). Коэф-

фициентом водопотребления называется объем воды в

кубических метрах, израсходованный за вегетационный период на

Тонну (или центнер) продукции при естественной ее влажности.

Коэффициент водопотребления изменяется так же, как и коэффи-

циент транспирации. Во влажные годы на неорошаемом участке

коэффициент водопотребления увеличивается, в сухие

—

уменьша-

ется. Повышение урожайности обусловливает более экономичное

расходование воды, снижение коэффициента водопотребления.

Оросительные системы обеспечивают подачу воды на орошаемые

поля, перевод воды водоисточника (реки, озера и др.) в почвенную

влагу. Эта влага, а также влага осадков расходуется в вегетацион-

ный период на транспирацию и физическое испарение, т.е. на сум-

марное водопотребление.

'•' Потребность растений в воде в вегетационный период при

прошении удовлетворяется путем подачи воды на поле из водо-

источника (реки, водоема и др.). Воды водоисточника могут

быть различного состава и оказывают разное влияние на растения

и на почву. Оценка их пригодности для орошения при мелиоратив-

ном проектировании имеет важное значение. Она, в частности, не-

обходима для прогноза эффективности оросительной системы и

%Шяния орошения на свойства почвы.

3.2.

ИСТОЧНИКИ ВОДЫ ДЛЯ ОРОШЕНИЯ

И ОЦЕНКА ЕЕ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ПОЛИВА

3.2.1.

ИСТОЧНИКИ ВОДЫ ДЛЯ ПОЛИВА

Для полива используют воды различного происхождения: реч-

ные,

озер, водохранилищ, подземные, возвратные (сточные, т.е.

воды, поступающие из коллекторно-дренажной сети, тепло- и

энергоцентралей, промышленных предприятий) и морские. Неза-

висимо от их происхождения все воды, используемые для полива,

должны отвечать одному общему требованию

—

не ухудшать свой-

ства почв. Впервые на это важное обстоятельство обратил внима-

ние В.В. Докучаев (1892) в книге «Наши степи прежде и теперь».

Он писал: «Особое внимание долно быть обращено на состав оро-

сительных вод, так как все эти минеральные, растворимые и взму-

ченные части оросительных вод будут действовать существенно

различным образом, а иногда даже и вредно на плодородие ороша-

емых участков, то, очевидно, состав их должен быть обстоятельно

изучен, особенно в ирригационные периоды» (с. 105).

В 1906 г. американский исследователь Е. Гильгардт впервые

классифицировал оросительные воды по концентрации солей и со-

держанию ионов, положив начало разработке количественных ме-

тодов оценки состава оросительной воды. В 1954 г. в США Л. Ри-

чардсом была разработана классификация оросительных вод по

степени минерализации и натриевому адсорбционному отноше-

нию (цит. по: С.Я. Бездниной, 1997).

Речные воды, формирующиеся на площади около 90% реч-

ного водосбора Российской Федерации, имеют гидрокарбонатный

состав с низкой минерализацией. В средней полосе России мине-

рализация различных вод возрастает до

0,2-0,5

г/л.

Водосбор рек с исходной минерализацией

0,5-1,0

г/л занимает

около 6% площади. В зоне Приазовья, Донбасса, Северного Кавка-

за распространены реки с сульфатными, а в Прикаспийской низ-

менности, в Северном Казахстане

—

с хлоридными водами. Состав

и степень их минерализации нестабильны. Это обусловлено дейст-

вием как естественных, так и антропогенных факторов. Дейст-

вие естественных факторов связано с тем, что в результате резкого

увеличения объема руслового стока в период паводка происходит

быстрое разбавление речных вод за счет поступления с водосбора

пресных атмосферных вод, а также вод тающих ледников и снега.

Второй весьма важной причиной изменения состава и степени ми-

нерализации речных вод является поступление в реки сильно ми-

нерализованного стока из коллекторно-дренажной сети ороситель-

ных систем. В наибольшей степени их отрицательное влияние,

имеющее вторичное, антропогенное, происхождение, проявляется

в средней и нижней частях речных долин. Нередки случаи, когда в

результате нерегулируемого сброса минерализованного дренажно-

го стока речные воды в нижнем течении оказываются совершенно

непригодными для орошения.

Для крупных рек европейской территории России в целом ха-

рактерен небольшой резерв кальциевых солей при их общем благо-

приятном химическом составе. Это обстоятельство несколько сни-

жает качество речных вод огромной территории.

В реках Центральной Азии (Сырдарья, Амударья и др.) отно-

шение Ca/Na равно, по данным Н.Г. Минашиной (1986), около

80—100. Вместе с тем для ETC это отношение значительно ниже

—

от 3 до 1, а в водохранилищах

—

около 1.

Отличительной особенностью речных вод является наличие в

них твердой взвеси (твердого стока)

—

речного аллювия. Со-

держание твердого стока в воде разных рек различно. Реки Цент-

ральной Азии (например, Амударья) содержат в наводок до 4—10 кг

взвешенных минеральных частиц в одном кубическом метре воды;

р.

Риони в Западной Грузии

—

4—6

кг/м

. Как правило, после строи-

тельства водохранилища воды реки в нижнем бьефе плотины освет-

ляются в результате осаждения твердой взвеси на дно искусственно-

го водоема. В воде большинства сибирских рек твердый сток не пре-

вышает

0,1—0,2

кг/м

. Твердый сток, отлагаясь на поверхности почв

при поливе, нередко обогащает их первичными и вторичными ми-

нералами, способствует поддержанию на высоком уровне плодоро-

дия орошаемых земель. В результате длительного орошения водами,

обогащенными такой минеральной взвесью, формируется иррига-

ционный нанос, на котором позднее возникают почвы (так называе-

мые ирригационные почвы).

Воды озер и водохранилищ стабильнее речных вод, а

их химический состав подвержен закономерным зональным изме-

нениям.

В водах водохранилищ в летние месяцы наблюдается некото-

рое увеличение их минерализации в результате интенсивного испа-

рения. Рост минерализации происходит главным образом за счет

СП,

SO 4

и Na

, т.е. ионов, ухудшающих качество воды. При этом

возможно неблаго1гриятное изменение щелочности вод. В ней по-

является ион С0

и резко повышается рН. В воде уменьшается

содержание Са

. Механизм ощелачивания следующий.

В результате активного развития в водоемах сине-зеленых во-

дорослей происходит активное потребление диоксида углерода, и

карбонатно-кальциевое равновесие смещается в сторону образова-

ния СО

, :

2НСОз ±> С0

"+С0

+Н

При этом карбонат кальция выпадает в осадок. По дан-

ным ряда авторов (Николаева, 1989; Новикова и др., 1982), в во-

дах Цимлянского, Кременчугского и Каховского водохранилищ