Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

115. Щеледренажная машина ДальНИИГиМ ЩМН-1,2 и кинограмма об-

разования щелевой дрены (СП. Войткж,

В.

П. Меновщиков и А.Т. Рыжаков,

1985).

I. Устройство рабочего органа щеледренажной машины: /

—

рама; 2

—

корпус кус-

тарниково-болотного плуга с укороченным отвалом; 3

—

черенковый нож; 4

—

опорное колесо; 5— ножи, расположенные в вертикальной плоскости; 6— щит; 7—

подъемный нож. II. Кинограмма образования щелевой

дрены:

—

проход черенко-

вого ножа;

б —

проход лемеха и вертикальных ножей; в

—

проход подъемного ножа;

—

проход щеледренажной машины

Щелевой дренаж, образованный стационарной машиной та-

кой конструкции, обладает несомненными преимуществами при

эксплуатации. Однако рассмотренная технология не находит при-

менения при строительстве осушительных систем на торфяных

почвах со слаборазложившейся погребенной древесиной. В этих

условиях щелерезные дискофрезерные машины предпочтительнее

стационарных.

9.7. ВРЕМЯ, НОРМА, ГЛУБИНА ОСУШЕНИЯ

И МЕЖДРЕННЫЕ РАССТОЯНИЯ

При проектировании и расчете дренажа важное значение при-

обретают сведения о времени и нормах осушения. Эти характери-

стики необходимы для расчета основных параметров дренажа —

глубины заложения и установления междренных расстояний.

9.7.1.

ВРЕМЯ ОСУШЕНИЯ

Срок, за который дренажная система отводит избыточную гра-

витационную влагу с поверхности почвы и из основной толщи кор-

необитаемых горизонтов, называется временем осушения.

В практике проектирования осушительных систем приняты следу-

ющие нормативы, регламентирующие допустимые сроки затопле-

ния почв (табл. 28).

Данные табл. 28 относятся к культурам полевых, овощных се-

вооборотов. Они затапливаются, как правило, водами с невысоким

содержанием кислорода.

В поймах, затапливаемых в весенний период полыми водами,

обогащенными кислородом, луговые естественные травы облада-

ют более высокой устойчивостью к избыточному увлажнению

(табл. 29).

306

Таблица 28

Допустимые сроки затопления поверхности и пахотного горизонта

осушенных почв при снижении урожая не более 10%, сут

Культуры

Зерновые

Овощные

Травы

Поверхность почвы

0,5

0,8

1-1,5

Пахотный слой

мощностью 0,3 м

1-2

1-1,5

2-3

Таблица 29

Устойчивость к весеннему затоплению луговых естественных трав

в поймах, (Ф.Б. Эллис, 1955)

Травы

Донник белый

Люцерна средняя

Жиггняк гребневидный

Костер безостый

Срок

9-12

10-14

10-17

24-28

Травы

Пырей малоцветковый

Овсяница луговая

Тимофеевка луговая

Канареечник тростниковый

Срок

31-35

9.7.2. НОРМА ОСУШЕНИЯ

Нормой осушения называют наиболее благоприят-

ное положение уровня грунтовых вод на осушительной системе для

роста и развития сельскохозяйственных растений и производства

полевых работ. Норма осушения — величина динамичная.

Она определяется рядом факторов. Норма осушения обусловлена

прежде всего экологическими особенностями возделываемой куль-

туры и динамикой ее развития. Она должна соответствовать спо-

собности растения свободно развивать корневую систему на раз-

ных фазах вегетации. Норма осушения зависит от свойств почв

и должна обеспечивать формирование такой зоны, свободной от

избыточного увлажнения, в которой воздухоносная пористость

выше слоя капиллярно-замкнутой воды превышает

8-10%.

Поэто-

му при грунтовом заболачивании для создания одного и того же по

своей мощности корнеобитаемого слоя уровни грунтовых вод дол-

жны быть тем глубже, чем тяжелее гранулометрический состав

почвы.

Таким образом, норма осушения определяется свойствами вы-

ращиваемой культуры и почвы. Для низинных торфяных почв

центральной части Нечерноземной зоны ETC рекомендуются сле-

дующие нормы осушения (табл. 30).

2Г

307

Таблица 30

Нормы осушения почв низинных болот («Мелиорация»,

энциклопедический словарь, 1984), см

Культуры

Луговые травы:

клеверно-злаковая траво-

смесь на сено;

культурные пастбища

Зерновые:

овес,

озимые зерновые,

ячмень и яровая

пшеница

Пропашные и овощные:

картофель, сахарная свекла,

кукуруза, подсолнечник,

огурцы, кормовые корнепло-

ды,

капуста, морковь, табак

Технические:

конопля

Предпосевной

период

(средний

за апрель)

35-40

50-60

60-70

Оптимальные в вегетационный

период (при завершении

основного нарастания корневой

системы растений)

торфяные

почвы*

(Т< 80 см)

торфяные

почвы

(7">80см)

60-70 80-85

70-80 85-95

70-80 90-100

80-90 100-110

90-100 110-130

100-110 120-130

* Т— мощность органогенных горизонтов торфяных почв.

Следует подчеркнуть, что понятие о норме осушения весьма

относительно. Оно справедливо только для почв грунтоього забо-

лачивания при близком залегании уровня грунтовых вод. На поч-

вах поверхностного заболачивания при глубоком залегании уровня

грунтовых вод в условиях, когда эти воды не принимают участия

в формировании водного баланса корнеобитаемого слоя почвы,

использование этого понятия утрачивает смысл.

этом случае пра-

вильнее рассматривать не нормы осушения, а тот реальный водный

режим и режим влажности почв, которые складываются в годы рас-

четной обеспеченности. Наконец отметим, что нормы осушения

для одних и тех же культур могут оказаться различными в разных

природных зонах и в разных почвенно-климатических фациях од-

ной и той же зоны.

308

9.7.3.

ГЛУБИНА ОСУШЕНИЯ И МЕЖДРЕННЫЕ

РАССТОЯНИЯ

Строительство дренажа (открытого или закрытого) вызывает

изменение уклона зеркала грунтовых вод. Между дренами устанав-

ливается депрессионная кривая. Депрессионной кривой

называется линия, которая образуется при сечении зеркала грунто-

вых вод плоскостью нормальной к оси осушителей.

Из рис. 116 следует, что депрессионную кривую можно харак-

теризовать углом а. Этот угол зависит от свойств почвогрунтов.

Чем выше их водопроницаемость, тем меньшие величины прини-

мают значения tg а и тем более пологий характер имеет депресси-

онная кривая. В песках, супесях, суглинках и глинах максимальные

значения tga равны соответственно 0,025; 0,05; 0,07 и 0,12.

Рис.

116. Влияние осушительного канала на положение грунтовых вод

(А.А. Черкасов и С.А. Владыченский):

—

депрессионная кривая; a

—

угол депрессионной кривой; h

—

стрела прогиба де-

прессионной кривой; z

—

норма осушения; Н

—

проектная глубина канала; Лн

—

глубина воды в канале; а — расстояние от поверхности воды в канале до места

выхода депрессионной кривой на стенке канала; Е

—

расстояние между каналами

Второй важной характеристикой депрессионной кривой явля-

ется стрела прогиба. Стрела прогиба h характеризует положе-

ние уровня грунтовых вод в середине междренья на высоте выхода

депрессионной кривой в канал (дрену). Все эти параметры (Черка-

сов,

1958) находятся в непосредственной взаимосвязи, которая от-

вечает следующему равенству:

H=h

+ a + h + z + h

где Н— проектная глубина канала; Лн

—

расчетная глубина воды в

канале; а

—

расстояние от поверхности воды в канале до точки вы-

хода депрессионной кривой на откосе канала; Е — расстояние

между каналами (дренами); a

—

угол депрессионной кривой; z —

норма осушения; /г

ос

—

осадка торфа на расчетный период.

309

Из рис. 116 видно, что h

= —

tga, поэтому

#=/i

+ a + -r-tga+z + йос-

Из этой зависимости следует, что расстояние между каналами

(дренами) прямо пропорционально их глубине. Такой же зависи-

мостью связаны глубина канала и норма осушения.

9.7.4. ОСАДКА БОЛОТНЫХ ПОЧВ ПРИ ОСУШЕНИИ

Осушение болот сопровождается осадкой торфа. Торфяные

почвы имеют огромную пористость (80—93%). Поры торфа почти

полностью заполнены водой, которая является своеобразным кар-

касом, поддерживающим эти органические почвы в естественном

состоянии. Удаление каркаса при осушении вызывает немедлен-

ную осадку торфа. При этом происходит консолидация торфяной

залежи, уменьшение ее пористости, сокращение числа и размера

крупных пор, водопроницаемости, увеличивается содержание су-

хого вещества в единице объема. X. Зегеберг (1960) рекоменду-

ет определять осадку торфа в результате осушения по формуле

S = ^(0,087"+ 0,066), где S

—

осадка торфа, м; Т

—

мощность тор-

фа, м; а

—

фактор плотности слоя торфа, который определяют ана-

литически по массе сухого вещества в единице объема почвы.

Основные параметры этих характеристик для торфяных почв раз-

ной плотности приведены в табл. 31.

Таблица 31

Расчет осадки торфа после осушения

Оценка осушения

в натуре

Не произошло

Очень незначительное

Незначительное

умеренное

Умеренное хорошее

Интенсивное

Относительная

плотность

торфа

почти

плавающий

рыхлый

в значитель-

ной степени

рыхлый

в значитель-

ной степени

плотный

Масса сухого

вещества в

ед.

объема,

< 3

3-5

5-7,5

7,5-12

> 12

Фактор,

4,0

2,8

2,0

1,4

1,0

Формула расчета

осадки торфа по

Зегебергу

5=0,327+0,26

.У=0,22Г+0,18

S=0,\6T+ 0,13

Я= 0,11Г+0,10

0,08

Т +0,07

Расчеты, выполненные на основе исходных данных, показыва-

ют, что при проектировании осушительных систем необходимо учи-

310

тывать серьезные изменения мощности торфяной залежи, кото-

рые оказываются особенно значительными в слое выше дрен

(табл. 32). Необходимые поправки при расчете глубины заклад-

ки каналов (дрен) оказываются весьма существенными (Эггель-

сманн, 1984).

Таблица 32

Увеличение глубины закладки дрен или каналов на болотах в зависимости

от последующего уплотнения торфяной толщи (Р. Эггельсманн, 1984), %

Относительная плотность

слежавшегося торфа

Плотный

Довольно плотный

Довольно рыхлый

Рыхлый

Почти плавающий

Требуемая глубина дна после осадки,

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

трубчатый дренаж не применяют

1,8

Следует подчеркнуть, что при использовании осушенного тор-

фяника в качестве пахотных угодий в процессе эксплуатации

происходит дальнейшее понижение поверхности болота вследст-

вие окисления и биохимического разложения торфа со скоро-

стью

1 —2

см/год; в условиях субтропического и тропического кли-

мата скорость биохимического разложения торфа составляет

5-12 см/год.

9.7.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕЖДРЕННЫХ

РАССТОЯНИЙ

Из двух важнейших параметров осушительных систем — глу-

бины заложения Я и междренных (межканальных) расстояний Е

—

наибольшим изменениям подвержены значения расстояний между

осушителями (открытыми и закрытыми). Глубина заложения регу-

лирующих осушителей обычно варьирует в ограниченном ин-

тервале (1—1,5 м). Диапазон колебаний междренных расстояний

изменяется в широком интервале

—

от

до 12 м (в тяжелых слабо-

водопроницаемых почвах) до 20-40 м и более в легких хорошо

водопроницаемых почвах. Еше более существенные различия от-

мечены между величинами, характеризующими расстояние между

открытыми каналами. Естественно, эти различия существенным

образом влияют на стоимость дренажных систем, сроки окупаемо-

сти капиталовложений, а также на эколого-гидрологические осо-

бенности осушенных почв. Фильтрация является интегральной ха-

рактеристикой почв, отражающей их важнейшие физические свой-

ства, знание которой необходимо для оценки междренных расстоя-

311

ний. Вторым важным физическим критерием является водоотдача

почв,

выраженная в расчетных формулах в виде коэффициента во-

доотдачи, модуля дренажного стока или доли осадков, формирую-

щих дренажный сток.

Способы определения междренных расстояний можно разде-

лить на две группы. Первая группа объединяет способы расче-

та, основанные на оценке водно-физических и гидрологических

параметров, вторая — отражает взаимосвязь между физико-меха-

ническими свойствами почв (набухаемостью, гранулометриче-

ским составом и др.) и междренными расстояниями. Если расчеты

по формулам, основанным на гидромеханическом подходе, явля-

ются в основном теоретическими, то способы определения межд-

ренных расстояний по физико-механическим параметрам, как

правило, имеют эмпирический характер и строятся на корреля-

ции между определенным свойством почвы и междренными рас-

стояниями.

9.7.5.1.

УСЛОВИЯ ПРИТОКА ВОДЫ К ОСУШИТЕЛЯМ

В условиях грунтового заболачивания почв, приуроченных к

однородным и хорошо проницаемым почвообразующим породам,

осушители — каналы и дрены — вовлекают во влагооборот значи-

тельные толщи водных масс от поверхности до водоупора. Поступ-

ление воды в канал и дрену осуществляется по смоченному пери-

метру со всей глубины водоносного пласта.

При оценке механизма действия открытого дренажа ранее ис-

ходили из представления о том, что i-рунтовые воды поступа-

ют в каналы (дрены) только через откосы под действием гра-

витационных сил. Более поздними исследованиями Н.Е. Жуков-

ского, П. Форхгеймера и других было показано (рис. 117), что по-

ступление воды происходит по всему смоченному периметру кана-

ла, т.е. и через дно по линии токов, нормальным к эквипотенциа-

лям — поверхностям равного напора.

Из этого следует, что чем ближе к дневной поверхности залега-

ет водоупор, тем большее

v/ ////////////у//)////?\ ///////////////////// сопротивление испытывает

грунтовый поток при по-

ступлении в каналы и дре-

ны.

Поэтому для достиже-

ния одного и того же эф-

фекта осушения междрен-

Линии ^f* jbh~i. ' ,' ' ные расстояния должны

равного напора

---{vK/ ' /с с

«--ТЬ^С у^ / / быть

тем ме

ньше, чем бли-

Линии

токов

Рис.

117. Линии равного напора

(эквипотенциали) и линии то-

ков (А.Н. Костяков, 1951)

312

же к дневной поверх-

ности залегает водо-

упор (рис. 118). По-

следнее обстоятельст-

во получило отраже-

ние в ряде формул,

предложенных для

расчета междренных

расстояний. Они ос-

нованы главным обра-

зом на гидромеханиче-

ском подходе к опреде-

лению этих основных

параметров дренажа.

Рис.

118. Влияние глубины

залегания водоупорного

слоя почвы на расстояние

между дренами (Р. Эггель-

сманн, 1984):

—

водоупорного слоя нет,

—

водоупорный слой на

глубине ниже 1 м от дрен,

111 —

водоупорный слои на

глубине укладки дрены; 1

—

поверхность земли; 2

—

зер-

кало грунтовых вод; 3

—

ли-

нии тока грунтовых вод

к дренам (Р. Эггсльсманн,

1984)

>//Л>ЛУ/At////»/?/А/АУЛУ АУЛУ Л

Поверхность земли

П11И11П

30 м водонепроницаемый

ь*—^^ Н

слои

птттттт

miiiiimmin

9.7.5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕЖДРЕННЫХ

(МЕЖКАНАЛЬНЫХ) РАССТОЯНИЙ НА ОСНОВЕ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ РАСЧЕТА

В настоящее время известно множество формул расчета меж-

дренных расстояний по гидрофизическим свойствам почв. Как пра-

вило,

все они отражают связь этого параметра с коэффициентами

фильтрации и водоотдачи

почв.

Они обычно имеют следующий вид:

А-

1К,

к„

где Е

—

междренное расстояние; А — цифровой показатель;

Кф

К„ — соответственно коэффициенты фильтрации и водоотдачи.

Ниже рассмотрены три широко распространенные формулы, при-

нятые для определения междренных расстояний в разных природ-

ных условиях при осушении переувлажненных почв.

Для расчета междренных (межканальных) расстояний в одно-

родных по гранулометрическому составу почвах и породах при

313

грунтовом заболачивании используют следующую формулу

А.Н. Костикова

руг-у/,

где Е

—

расстояние между дренами;

Кф —

коэффициент фильтра-

ции, м/сут; Л]

—

стрела прогиба депрессионной кривой на момент

времени t\, м; /г

— стрела прогиба депрессионной кривой на мо-

мент времени /

, Щ Т

—

время (сут.), прошедшее с момента t\ до

момента /

, в течение которого произошло понижение уровня грун-

товых вод на величину h\

—

/г

;

ср —

коэффициент, характеризую-

щий форму депрессионной кривой. Коэффициент водоотдачи

z-D

СТ

" 100 '

где е

—

общая пористость; D

—

динамическая (капиллярная) влаго-

емкость, %.

Формула А.Н. Костякова предложена для определения Е в

условиях неустановившегося положения депрессионной кривой, в

легких почвогрунтах с заболачиванием грунтовыми водами.

Для расчета междренных расстояний в условиях поверхностно-

го заболачивания в случае залегания дрен на водоупоре применяют

формулу Я. Ротэ. Формула выведена из условий стабильного

положения кривой депрессии; залегания дрен на водоупоре (совер-

шенный дренаж); полной сработки гравитационной воды над дре-

ной (рис. 119):

где Е

—

междренное расстояние, м; h — напор над дреной (или

стрела прогиба), м; Кф — коэффициент фильтрации, м/с; q —

удельный расход воды, т.е. объ-

ем стока с 1 м

поверхности

в 1 с. Поскольку h = Н - z, где

—

глубина дрены; z — норма

осушения (м), формулу Ротэ

можно записать так:

E =

2(H-z)ff.

Формула может быть испо-

льзована для расчета междрен-

ных (межканальных) расстоя-

ний в легких почвах с близким

залеганием водоупора (напри-

мер,

при подстилании флювио-

Рис.

119. Расчетная схема определе-

ния междренного расстояния по фор-

муле Ротэ:

—

междренное расстояние; Н

—

глу-

бина дрены; z — норма осушения; h

—

стрела прогиба; d

—

депрессионная кри-

вая и ее угол а

314

гляциальных песков и супесей тяжелыми моренными, покровны-

ми,

ленточными породами).

Формула СБ. Хугхаудта позволяет рассчитывать меж -

дренные расстояния для следующих случаев: 1) при залегании дрен

непосредственно на водоупоре или чуть выше этого слоя; 2) при

нахождении водоупора на значительной глубине (более 1/4 рассто-

яния между дренами); 3) при залегании водонепроницаемого слоя

на расстоянии менее 1/4 длины междренья.

Для всех трех случаев Хугхаудт дает практическое решение с

помощью следующей формулы (цит. по Эггельсманну, 1984):

где Е— расстояние между дренами, м; К^, Кф2~ коэффициенты

фильтрации слоя почвы, расположенного выше и ниже дрены,

м/сут; d

—

эквивалентная толщина водоносного слоя почвы ниже

оси дренажной трубы до водоупора при

менее

м (определение по

табл. 33); D

—

расстояние от поверхности дрены до водоупорного

слоя, м; /;

—

допустимая высота уровня грунтовых вод над дреной

(стрела прогиба, м); t— глубина заложения дрены, м;/— допустимая

глубина уровня грунтовых вод от поверхности (норма осушения, м);

5 — максимальное количество отводимой воды осадков, м/сут;

—

эффективный внешний радиус дренажной

трубы,

м (рис. 120).

Первая часть формулы соответствует режиму грунтового пото-

ка на участке ниже дрены, вторая

—

режиму грунтового потока на

участке выше дрены.

Расстояние между дренами может быть определено двумя спо-

собами: аналитически (методом приближения в процессе подбора

и сравнения) с помощью табл. 34 и графически с помощью номо-

граммы (рис. 121) и табл. 34.

Поскольку выбор эффек-

тивного внешнего радиуса дре-

нажных труб незначительно

влияет на расстояния между

дренами, то таблица, состав-

ленная для г = 0,1, действите-

льна для всех радиусов. Проме-

жуточные значения округляют.

Рассмотренные формулы

расчета междренных расстоя-

ний по гидрофизическим или

физическим свойствам, одна-

ко,

не всегда отражают те ре-

альные гидрологические усло-

вия отдельных почвенных раз-

WyWwwwsA;;;;/;;);;///;/)/,,

.Z?

Рис.

120. Расчетная схема определения

междренного расстояния по формуле

Хугхаудта

Исходное положение грунтовых вод (I);

водоупорный горизонт

(2).

Условные обо-

значения см. ниже в тексте

315