Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

81. Постоянно пятнистое вторичное засоление орошаемых почв

Джезакской степи. Узбекистан

фактором засоления. Возможен обратный процесс передвижения

солей из периферии к центру.

Стадии вторичного засоления протекают в зависимости от

степени минерализации грунтовых вод. При низкой минерали-

зации вторичное засоление начинается со стадии периодичес-

кого пятнистого засоления, которое сменяется постоянным пятни-

стым засолением. При сильной минерализации грунтовых вод

процесс засоления протекает так, как это описано выше (Егоров,

1954,

1968).

8.5.2. КРИТИЧЕСКАЯ ГЛУБИНА ГРУНТОВЫХ ВОД

На массивах, подверженных вторичному засолению, происхо-

дит быстрый подъем грунтовых вод. Чем выше уровень минерали-

зованных грунтовых вод к дневной поверхности, тем существеннее

угроза вторичного засоления почв. Б.Б. Полыновым (1930) для

оценки возможности вторичного засоления введено понятие кри-

тический уровень грунтовых вод. Глубина залегания

грунтовых вод, при которой начинается засоление поверхностных

корнеобитаемых горизонтов, происходит соленакопление, приво-

дящее к угнетению и гибели сельскохозяйственных растений, на-

зывается критической.В почвах разного механического соста-

ва, при разной степени минерализации грунтовых вод и в различ-

ных климатических условиях абсолютные значения критической

202

глубины залегания грунтовых вод различны. В общем виде крити-

ческую глубину залегания грунтовых вод можно определить по

формуле

"кр

—

"max '

где Л

тах

—

наибольшая высота капиллярного подъема в исследуе-

мых почвах; а

—

глубина распространения основной массы корней

сельскохозяйственных растений. Критическая глубина грунтовых

вод колеблется в интервале от 1,5 м в легких до 3,5 м в тяжелых

почвах. Чем выше минерализация, тем с большей глубины грунто-

вые воды могут вызывать засоление почв и гибель сельскохозяйст-

венных растений (рис. 82). По данным В.А. Ковды, в среднем мож-

но принять, что при минерализации грунтовых вод 4-6 г/л в усло-

виях аридных зон Азии, Африки, Европы критическая глубина за-

легания грунтовых вод рав-

на 2-2,5 м. При ороше-

нии необходимо поддер-

живать уровни грунтовых

вод на глубине ниже кри-

тической, т.е. несколько

глубже 2—2,5 м. При мине-

рализации 1-2 г/л грунто-

вые воды на глубинах

1-1,5 м не вызывают засо-

ления почв.

Критическая глубина

грунтовых вод обусловлена

различной способностью к капиллярному водоподъему различных

почвообразующих и подстилающих пород. Эти величины условно

характеризуют следующие данные, м:

1-1

U 8 12 16 20 24

Минерализация грунтовых

вод,

г/л

Рис.

82. Зависимость критических глубин

грунтовых вод от их минерализации

(В.А. Ковда, 1968)

Лёссы, пылеватые суглинки

средние суглинки

тяжелые суглинки

тяжелые глины

Пески

3,5-4,0

3,0

2,0

1-1,5

0,5-1,2

При оценке оптимальных уровней грунтовых вод на массиве

орошения следует иметь в виду их усвоение культурной раститель-

ностью на трансгшрацию. Свекла, хлопчатник, люцерна могут ис-

пользовать грунтовые воды с глубины 2-5 м. При этом их суточ-

ный расход на транспирацию в вегетационный период для разных

культур (мм/сут) оказывается весьма существенным и характеризу-

ется следующими величинами: люцерна — 3,0—8,0, хлопчатник

—

1,5-2,0,

кукуруза

—

2,8-4,0, пшеница

—

2,6-2,8, древесная расти-

тельность

—

3,0—4,0.

203

8.6. ДРЕНАЖ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ

Дренаж почв на орошаемых массивах необходим для удаления

избытка влаги и солей, поддержания грунтовых вод на уровне, иск-

лючающем вторичное засоление. Дренажная сеть на орошаемом

массиве обеспечивает возможность стабильной и эффективной эк-

сплуатации мелиорированных земель. В настоящее время накопле-

ны данные, подтверждающие высокую эффективность этого меро-

приятия.

Коллекторно -дренажная сеть на орошаемом массиве — это

специальный комплекс гидротехнических сооружений, состоя-

щий из дрен, коллекторов, насосных станций, обеспечиваю-

щих сбор и отвод с орошаемых массивов грунтовых вод. Дренаж на

орошаемом массиве может быть горизонтальным и верти-

кальным.

В зависимости от условий водного питания, засоления, релье-

фа и других факторов дренаж может различаться расположением

дренажных устройств на мелиорируемой территории. По располо-

жению на местности он может быть систематическим

—

дре-

ны расположены равномерно на мелиорированной территории,

выборочным

—

дрены приурочены к отдельным участкам с не-

благоприятным мелиоративным состоянием и линейным (го-

ловной или ловчий) — дрены расположены по фронту питания

грунтовых вод в пределах мелиорируемой территории или вне ее.

На орошаемых землях может применяться самостоятельно как го-

ризонтальный, так и вертикальный дренаж или одновременно оба

вида (комбинированный дренаж).

8.6.1.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ДРЕНАЖ

Система горизонтального дренажа представляет собой сово-

купность горизонтальных дрен и коллекторов с гидротехнически-

ми сооружениями, предназначенными для дренирования орошае-

мой территории. Дрены принимают и отводят грунтовые воды не-

посредственно с мелиорируемой территории, а коллекторы транс-

портируют их в водоприемник. Если самотечный отвод дренажных

вод с орошаемой территории невозможен, предусматривают водо-

подъем с помощью дренажной насосной станции. Коллектор-

ную сеть дренажной системы располагают по наиболее понижен-

ным элементам рельефа с учетом границ хозяйств, севооборотов

и других факторов. Расчетный расход открытых главных коллекто-

ров должен предусматривать пропуск паводковых расходов 10%-й

обеспеченности с учетом дренажных сбросных расходов. Закрытые

горизонтальные дрены могут быть керамическими, железобетон-

ными, керамзитобетонными, полиэтиленовыми, асбестоцемент-

204

ными. Для защиты труб от заиления при строительстве применя-

ют траншейные фильтры из песка, гравия и других материалов

(рис.

1.22,

1.23).

При определении глубины горизонтального дренажа исходят

из того, что в середине между дренами уровни залегания грунтовых

вод не должны превышать критических значений. Поэтому глуби-

на заложения дрена рассчитывается по формуле

^4р

#кр +

+ h

где Нд

—

глубина заложения дрен, м; Н

кр

—

критическая глубина

залегания грунтовых вод, м; h

—

высота превышения уровня зале-

гания дрен грунтовым потоком в середине между дренами, м; Л

—

высота наполнения дрен или канала, м.

Расчет междренньгх расстояний (Е) в однопластовом потоке

выполняют по формуле В.М. Шестакова

/ I 7ZT- \

•и

где Х

=0,73-/я

-lg-

= А

2/и„

Tli

проводимость водоносного пласта,

„,,., ,,.

/сут; h

—

расчетный напор между дренами, м; W— интенсивность

инфильтрации, м/сут; Х

—

расчетная длина зоны резкой деформа-

ции потока вблизи

дрен,

м; т

—

расстояние от водоупора до расчет-

ного уровня воды в дрене, м; d

—

диаметр дрены по внешнему кон-

туру фильтра, м.

8.6.2. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ДРЕНАЖ

Система вертикального дренажа обеспечивает понижение уров-

ня грунтовых вод путем их механической откачки из скважин

(рис.

83). Она представляет

собой сложное сооружение,

состоящее из водозабора (сис-

тема глубоких скважин, обо-

рудованных фильтрами) с

гидротехническим оборудова-

нием и наземного комплекса.

В состав последнего входят

энергетическое хозяйство (вы-

соковольтная линия электро-

передач, трансформаторная

подстанция, низковольтная

линия, пусковая аппаратура,

электрооборудование), средст-

ва автоматики, телемеханики

и связи, водоприемные соору-

/M/Wrf/MM?}»»//»^»^

Рис.

83. Схема действия вертикально-

го дренажа:

—

водоносный горизонт; 2

—

водоупор;

}

—

депрессионная кривая;

4 —

обсадные

трубы, насос, фильтр

205

жения и водоотводящая сеть, эксплуатационные дороги (рис. 84).

Вертикальный дренаж орошаемых земель — сравнительно новый

способ понижения уровня грунтовых вод. Он был впервые приме-

нен в США в 20-х годах для дренажа и орошения сельскохозяйст-

венных земель штата Аризона. В этот период была построена сис-

тема вертикального дренажа из 159 скважин, которая обслуживала

площадь

000 га. В нашей стране первая скважина вертикального

дренажа на орошаемых землях была построена в 1928 г. в Голод-

ной степи Н.В. Макридиным и М.М. Решеткиным. В настоящее

время системы вертикального дренажа на орошаемых массивах

применяют в государствах Центральной Азии, в Армении, в Гру-

зии,

на некоторых объектах орошения Украины.

Вертикальный дренаж позволяет активно регулировать уро-

вень грунтовых вод на объекте, он занимает небольшую площадь,

Рис.

84. Оборудование скважины вертикального дренажа. Голодная степь,

Узбекистан:

/ — высоковольтная линия; 2 — трансформаторная подстанция; 3 — станция;

4 — лотковый водовод для транспорта поднятых на поверхность грунтовых вод в

открытый канал

206

не препятствует механизации сельскохозяйственных работ, позво-

ляет использовать неминерализованные грунтовые воды для оро-

шения. В среднем одна скважина вертикального дренажа может

обслуживать площадь 50—100 га, а ее дебит колеблется в интервале

30-200 л/с. К недостаткам вертикального дренажа следует отнести

высокие эксплуатационные затраты, потребность в электроэнергии

и качественных фильтрах.

Вертикальный дренаж применяют для решения трех основных

задач: 1) для водоподъема на орошение пресных напорных подзем-

ных вод с одновременным рассолением почв; 2) для предотвраще-

ния подъема минерализованных грунтовых вод на землях ново-

го орошения; 3) при замене минерализованных грунтовых вод прес-

ными. Наиболее благоприятные результаты при применении

вертикального дренажа получены в хорошо водопроницаемых иоч-

вогрунтовых толщах с высоким дебитом скважин. Дебит каждой

скважины может быть определен как

P),

где q — среднегодовая интенсивность питания грунтовых вод за

счет орошения, м

/сут-м

; Р

—

напорное питание, м

/сут-м

; R

—

радиус круга, соответствующего максимальным размерам депрес-

сионной воронки вокруг одной скважины, м.

При известных радиусе влияния Я одной скважины и ее дебите

Q можно, зная проектную глубину грунтовых вод h, рассчитать по-

нижение уровня воды в скважине (рис. 85):

1п

где 5о — понижение

уровня воды в скважи-

не,

м;

Кф

— коэффици-

ент фильтрации водо-

носной толщи, м/сут;

т — мощность водо-

носной толщи в хорошо

фильтрующих породах,

м; г

—

внешний радиус

фильтра скважины, м;

—

коэффициент, учи-

тывающий несовершен-

ство скважины;

Л —

глу-

бина грунтовых вод от

дневной поверхности

(проектная), м.

Рис.

85. Схема расчета вертикального дренажа

при установившейся фильтрации

207

8.6.3.

ВАКУУМИРОВАНИЕ ДРЕНАЖА

В орошаемых почвах наиболее высокие концентрации солей

находятся в почвенном растворе, сосредоточенном в тонких капил-

лярах. В этих порах при постоянном действии гравитационных сил

тем не менее устойчиво удерживаются значительные запасы мине-

рализованной влаги. Поэтому дополнительное давление, наложен-

ное с помощью вакуумирования на систему почвенных капилля-.

ров,

могло бы позволить значительно полнее извлечь из мелкозе-

мистых горизонтов наиболее минерализованную часть растворов

норового пространства почв. Для решения этой задачи в послед-

ние годы были разработаны и построены экспериментально-про-

изводственные системы вакуумированного горизонтального и вер-

тикального дренажа (Дегтярев, Калантаев, 1976). В них с помощью

специальных устройств в водной и воздушной средах создается

давление ниже атмосферного. Мелиоративное значение вакууми-

рования заключается в том, что при наложении вакуума на дренаж-

ную систему можно добиться существенного увеличения водо-

отдачи, поскольку из почвогрунтовой толщи извлекается не только

гравитационная, но и значительная часть влаги, удерживаемой

тонкими капиллярами. Увеличение водоотдачи (и коэффициента

водоотдачи) обусловливает усиление притока влаги к дрене и, как

следствие, увеличение дренажного стока.

В дренах давление ниже атмосферного может быть создано с

помощью трех следующих приемов вакуумирования: 1) откачкой

воздуха из изолированных от атмосферы дрен (или вертикальных

скважин); 2) использованием энергии струи воды, нагнетаемой че-

рез эжектор; 3) устройством сифона в устье дрен.

Применение вакуумирования дренажа в суглинистых и глини-

стых почвах, существенно повышая водоотдачу, способствует уве-

личению скорости снижения уровня грунтовых вод и солеотдачи

и улучшает мелиоративную обстановку на массивах орошения

(табл. 20).

Таблица 20

Влияние вакуумирования горизонтального дренажа на скорость снижения

грунтовых вод (Б.М. Дегтярев, В.Д. Калантаев, 1976)

Расстояние от оси дрен, м

1,5

8,0

50,0

100,0

200,0

Скорость понижения уровня грунтовых вод, см/сут

на фоне обычного

дренажа

0,5

на фоне вакуумированного

дренажа

1,5

208

8.7. СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ СОЛЕЙ

ИЗ ПРОФИЛЯ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ

Основным и наиболее надежным способом удаления солей

при мелиорации засоленных почв в настоящее время следует

признать сквозную промывку почв на фоне горизонтального, вер-

тикального или комбинированного дренажа. Этот прием позволяет

создать на орошаемом массиве (в случае, если почвы не обеспече-

ны благоприятным естественным дренажем) необходимые условия

для устойчивого промывного режима и отвода соленых растворов

за пределы орошаемого поля. Кроме этого приема в мелиоратив-

ной практике одновременно со сквозными промывками или неза-

висимо от них применяют и другие способы удаления солей

—

ме-

ханическое удаление солей с поверхности, запашка солей, поверх-

ностные промывки, вмывание солей и др.

8.7.1.

МЕХАНИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ СОЛЕЙ

Способ механического удаления солей заключается

в сгребании солевой корки солончаков или сильнозасоленных

почв тракторными скребками и последующей транспортировке со-

бранных таким образом солей за пределы орошаемого массива.

Способ применим, главным образом, на сильнозасоленных почвах.

Механическое удаление солей полезно проводить перед промывка-

ми,

так как это способствует сокращению расхода промывных вод

на рассоление и ускоряет процесс рассоления.

8.7.2. ЗАПАШКА СОЛЕЙ

Запашка солей применяется на слабозасоленных почвах в

тех случаях, когда нижние горизонты профиля свободны от солей,

а их незначительные повышенные концентрации небольшой мощ-

ности сосредоточены в поверхностных горизонтах профиля. Пере-

пашка при относительно мощном гумусном горизонте создает

условия для равномерного разбавления солей в мелкоземе пахот-

ного горизонта до уровня концентраций, не препятствующих нор-

мальному росту и развитию сельскохозяйственных растений.

8.7.3.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ПРОМЫВКА

Для удаления солей из корнеобитаемых горизонтов тяжелых

почв с низкой водопроницаемостью, высокой влагоемкостью и вы-

соким содержанием солей применяют поверхностные про-

мывки. При поверхностной промывке удаление солей из верхних

горизонтов происходит путем декантации, т.е. систематиче-

ского растворения солей в промывных водах и их сброса. Повтор-

ная декантация новыми порциями воды осуществляется за один

прием 2-3 раза. Этот способ используют на тяжелых почвах с вы-

14-2099

209

соким содержанием солей в верхних горизонтах и относительно

низким содержанием солей в глубоких слоях почвенного профиля.

Способ предполагает применение значительных масс воды (до

20—30 тыс. м

/га); он позволяет совмещать поверхностную про-

мывку и вмывание солей с рисосеянием или разведением рыбы на

орошаемых массивах.

8.7.4. ВМЫВАНИЕ СОЛЕЙ

На слабозасоленных почвах с глубоким залеганием грунтовых

вод временное опреснение почв может быть достигнуто путем от-

теснения, вмывания солей в нижние горизонты профиля.

При этом, однако, соли не поступают в грунтовый поток. Этот спо-

соб можно использовать при условии, что взрослые растения пере-

носят свойственное данной почве засоление, а для молодых созда-

ется благоприятная обстановка после полива, направленного на

вмывание солей в нижние горизонты профиля в начальные фазы

вегетации.

8.7.5. СКВОЗНАЯ ПРОМЫВКА

Сквозной промывкой называется промывка водораст-

воримых солей из всей толщи горизонтов почвенного профиля,

вынос солей в грунтовой поток и их удаление в условиях естествен-

ного или искусственного дренажа за пределы орошаемого массива.

При сквозной промывке возможно опреснение не только поч-

венной толщи, почвообразующих и подстилающих пород, но и по-

верхностных слоев грунтовых

вод.

Таким образом, только сквозные

промывки на фоне дренажа могут обеспечить создание условий на

объектах орошения, исключающих реставрацию засоления (рис.

1.35,

1.36).

8.8. ПРОМЫВНЫЕ НОРМЫ

Промывные воды, поступающие на мелиорируемое поле, стро-

го нормируются. Промывной нормой называют объем воды,

который подается для промывки солей в течение промывного пе-

риода. Обычно промывки осуществляют осенью или зимой в усло-

виях ограниченного испарения. Промывная норма зависит от фи-

зических свойств почв, степени и химизма засоления, глубины за-

легания грунтовых вод. Процесс промывки осуществляется в два

этапа. На первом этапе после насыщения почвы водой происходит

растворение солей. На втором этапе раствор солей вытесняют до-

полнительным объемом промывной воды. Поэтому промывная

норма должна состоять из двух частей. Первая идет на увлажнение

почвы до предельной полевой влагоемкости (ППВ). Она равна раз-

ности между предельной полевой влагоемкостью почвы и ее пред-

поливной влажностью (минус объем защемленного воздуха). Эта

210

часть поливной нормы предназначена для растворения солей. Вто-

рая часть промывной нормы, равная (или кратная) разности между

водовместимостью (общая порозность минус объем защемленного

воздуха) и предельной полевой влагоемкостью, вытесняет соленый

раствор из почвы и почвообразующих пород и создает пресную по-

душку в поверхностных слоях грунтовых вод.

Для расчета промывной нормы Л.П. Розов предложил следую-

щую формулу:

пр

= ППВ - т + пВ,

где М

пр

—

промывная норма; ППВ

—

предельная полевая влагоем-

кость; т — запас влаги перед промывкой; п — коэффициент, зави-

сящий от степени засоления почв (обычно равен 1 и более); В —

объем воды, необходимый для вытеснения солей из расчетного

слоя после насыщения почвы до влажности, соответствующей пре-

дельной полевой влагоемкости, В

е- ППВ, е — полная влагоем-

кость (Л/пр, ППВ, т, е, В, м

/га).

Л.П. Розов показал, что если почва насыщена влагой до ППВ,

то одна дополнительная порция воды (п = 1) может удалить

60-90%

солей.

В мелиоративной практике широкое применение получила

формула для расчета промывных норм, предложенная В.Р. Волобу-

евым:

Л/

пр

=10000а-1

|^-,

где

Мщ>

— промывная норма, м

/га; a — показатель солеотдачи,

определяемый по данным опытно-производственных промывок

(табл. 21); S

— содержание солей в промываемом слое почвогрунта

до начала промывки,

от массы почвы;

.So —

допустимое содержа-

ние солей, % от массы почвы.

Содержание солей S

в промываемом слое до начала промыв-

ки устанавливают на основе материалов почвенно-мелиоративных

изысканий. Промывка орошаемых почв считается завершенной,

если допустимое содержание солей

В почвогрунтовой

толще не превышает следующих величин,

от массы сухой почвы:

хлоридное 0,2

сульфатно-хлоридное 0,3

хлоридно-сульфатное 0,4

Абсолютные значения промывных норм, рассчитанные по фор-

муле В.Р. Волобуева, соответствуют величинам, приведенным в

табл. 22.

Промывки засоленных почв могут быть капитальными и эксп-

луатационными. Капитальные промывки выполняют в

процессе строительства оросительной системы. К капитальным

промывкам приступают после завершения работ по строительст-

14'

211