Действие осушительных каналов

Теоретические основы современной гидрологии земель построены на изучении физических характеристик почвогрунтов, определяющих их водный режим. Гидрологический режим территории есть функция прихода и расхода влаги, определяющая глубину расположения уровней грунтовых вод и их динамику. Осушение земель воздействуя на баланс влаги коренным образом изменяет режим грунтовых вод. После осушения почвенно-грунтовые воды почти постоянно находятся ниже поверхности почвы, особенно возле осушительных каналов. Поскольку с ближайших к осушителям участков грунтовая вода проходит меньший путь при движении к каналам, чем с удаленных, и встречает меньше сопротивления движению благодаря большим уклонам, то вблизи осушительного канала наблюдается большее понижение грунтовых вод с постепенным повышением их по мере удаления от канала.

На участках, осушенных системой параллельных каналов, формируются кривые депрессии уровней грунтовых вод (рис. 31). Наличие уклона в сторону каналов создает впечатление, что движение грунтовой воды происходит в соответствии с уклоном кривой депрессии. Фактически движение воды подчиняется более сложным законам.

Рис. 31. Кривая депрессии уровня грунтовых вод на осушенных землях

Исследованиями Н.Е. Жуковского установлено, что грунтовая вода может поступать в каналы по всему поперечному профилю ниже уровня грунтовых вод, включая и дно канала. Это движение происходит под действием давления, создаваемого разностью уровней грунтовой воды на полосе между каналами и воды в канале, определяемого величиной напора Н. Количество поступающей воды в каналы и величина стока примерно пропорциональны, как это установлено проф. Х.А. Писарьковым, квадрату напора:

q = С Н² (85)

где q - модуль стока; С - коэффициент, зависящий от типа почв и расстояний между каналами; Н - величина напора (см. рис. 31).

Теоретически понижение грунтовых вод может распространяться на очень большие расстояния от каналов. Однако сопротивления, встречаемые движущейся водой в грунте, уменьшают, согласно закону Дарси, скорость фильтрации, ограничивают действие каналов определенными, довольно небольшими расстояниями. Скорость движения и количество грунтовой воды, поступающей в каналы, следовательно, и режим грунтовых вод зависят от величины напора и изменения водопроницаемости грунта с глубиной, а на торфяных почвах - и от глубины залегания водоупора. На мелких торфяниках водоупором является минеральный грунт, подстилающий торф. На болотах с большой глубиной торфа водоупором может оказаться хорошо разложившийся плотный торфяный горизонт. Верхний слой залежи выполняет функции деятельного горизонта (Лекция 5.4), и торфяник приобретает двухслойный характер.

Наблюдения показали, что на маломощных однослойных торфяниках (табл. 14) действие каналов распространяется на всю полосу между каналами. При расстоянии между каналами 128 м посередине между ними отмечено понижение грунтовых вод до 60 см. В таких условиях формируется полноценная сомкнутая кривая депрессии уровней грунтовых вод. На двухслойных торфяниках при том же расстоянии между каналами грунтовые воды понизились только до 22 см, а практически действие каналов прекращалось на расстоянии 30-40 м. Уровни грунтовых вод образуют не кривую депрессии, а только кривые спада уровней. Еще меньше влияние каналов на мелких торфяниках, залегающих на тяжелых грунтах. В таких условиях их действие прекращалось на расстоянии 15-20 м от каналов.

Таблица 14 - Средние многолетние уровни грунтовых вод, см, по мере удаления от каналов на торфяниках с разным строением залежи

По исследованиям проф. Х.А.Писарькова, в условиях, где формируется кривая депрессии, обеспечивается более устойчивое осушение. Каналы отводят всю воду с полосы между ними. Дополнительного подтока со стороны нет. Каналы действуют в условиях сформированного внутреннего водного питания. В тех случаях, когда формируются только кривые спада и уровни грунтовых вод понижаются до определенного расстояния от каналов, а далее остаются на той же глубине, как и до осушения, имеется постоянный приток воды со стороны. Каналы действуют в условиях внешнего водного питания. Возможность притока воды со стороны уменьшает расстояние действия каналов.

Подавляющая масса воды перемещается выше водоупора. При залегании его ниже дна каналов нет особых препятствий для поступления воды по всему профилю канала, включая и дно. Линии отекания грунтовых вод при глубоком залегании водоупора приведены на рис. 32, а. В этом случае действие осушительных каналов проявляется сильнее и их можно располагать на большем расстоянии друг от друга, определяемом характером грунта и глубиной каналов.

Рис. 32. Действие осушительной сети на болотах с разной глубиной торфа в зависимости от характера подстилающих грунтов

При близком залегании водоупора поступление воды в каналы затруднено водоупорным горизонтом, коэффициент фильтрации которого ничтожно мал. В этом случае вода в каналы поступает в основном только через откосы каналов выше водоупора. Исследованиями К.Ц.Лундина [15] установлено, что увеличение степени разложенияна 10 % уменьшает коэффициент фильтрации примерно в 10 раз.

В наших исследованиях на слоистых торфяниках, где верхний слой торфа со степенью разложения 5-10% подстилался торфом со степенью разложения 30-40%, коэффициент фильтрации верхнего слоя был равен 0,028 см/с, а нижнего подстилающего 0,0026 см/с. Действие каналов на мелких торфяниках с водонепроницаемым ложем и на слоистых торфяниках снижается (рис. 32, б). Для обеспечения необходимой величины понижения почвенно-грунтовых вод необходимо уменьшение расстояний между каналами (рис. 32, в).

При осушении мелких торфяников на песках возможно увеличение расстояний между каналами, если имеется отвод воды из песчаного горизонта, во избежание иссушения торфа.

Норма осушения

Понятие «норма осушения» введено в гидромелиоративную науку академиком А.Н.Костяковым [11]. Под нормой осушения для земель, используемых в лесном хозяйстве, понимается величина, на которую следует понизить грунтовые воды для создания оптимального водно-воздушного режима почв и нормального роста древостоя. На участках, где достигнута норма осушения, можно выращивать древостой максимально возможной в данных почвенных условиях производительности, определяемой плодородием почвы. В идеальном случае норму осушения следует обеспечивать с начала роста растений весной и поддерживать на протяжении всего периода вегетации, желательно также не допускать подтопления корнеобитаемой зоны и вне этого периода.

Максимальный эффект улучшения роста леса может быть получен при условии соблюдения нормы осушения на всей полосе между осушительными каналами с весны до осени. Однако в природной обстановке невозможно обеспечить понижение уровней воды в почве весной к началу роста и поддерживать их на заданной глубине в течение всего периода вегетации. Следует учитывать также, что поскольку между осушительными каналами грунтовые воды располагаются по кривой депрессии, то их уровни различны и по мере удаления от каналов.

Сложность вопроса вызвала необходимость многочисленных исследований для установления норм осушения. Первые придержки на основе собственных исследований и литературных данных провел академик А.Д. Дубах. Он отмечал, что для лесовыращивания на торфяных землях необходимо понижать грунтовые воды на 3050 см, на минеральных - до 70 см.

Широкие исследования норм осушения выполнены Х.А.Писарьковым и П.И.Давыдовым [23]. Учитывая выводы А.Н.Костякова [11] о необходимости поддерживать норму осушения на осушаемой площади в различные фазы роста и развития растений, Писарьков и Давыдов провели длительные исследования режима уровней грунтовых вод в различных древостоях разного возраста. Исследователи установили увеличение глубины стояния грунтовых вод при повышении класса бонитета (табл. 15). Наиболее низкие уровни грунтовых вод отмечены в приспевающих древостоях, несколько выше - в молодняках и наиболее высокие уровни - в спелых и перестойных. Пониженные уровни грунтовых вод в приспевающих древостоях объясняются тем, что такие насаждения наиболее интенсивно расходуют влагу и питательные вещества и требуют большого понижения грунтовых вод для увеличения площади питания.

Таблица 15 -Средние глубины грунтовых вод за май-август, см

Примечание. В числителе даны значения под насаждениями сосны, в знаменателе - под насаждениями ели.

Многолетние наблюдения за уровнями грунтовых вод (рис. 33) показали, что глубина их понижения на однотипных болотах увеличивается при сгущении осушительных каналов.

На переходных болотах, по сравнению с верховыми при тех же глубинах каналов и расстоянии между ними, уровни понижаются больше вследствие повышенного расхода влаги на суммарное испарение при более высоком подъеме воды по капиллярам от грунтовых вод. Наиболее высокие за период вегетации (май-сентябрь) уровни грунтовых вод наблюдаются в мае.

Рис. 33. Динамика грунтовых вод на осушенных болотах (205, 130, 65 м - расстояния между каналами на верховом и 128 м - на переходном)

Положение грунтовых вод в этом месяце существенно определяет рост леса на осушенных землях, поскольку начинается рост древесных растений. Поэтому в качестве придержек к норме осушения недостаточно принимать только среднюю за период вегетации глубину грунтовых вод, необходимо указать и требуемую глубину на период начала активного роста леса в высоту (табл. 16).

Таблица 16 - Глубина грунтовых вод (см) при осушении торфяных почв для сосновых древостоев

Примечание. В числителе указана глубина грунтовых вод на 15 мая. в знаменателе - в среднем за май-сентябрь

Необходимая величина понижения почвенной воды в мае в сильной степени зависит от типа почвы. На почвах верховых болот, бедных по содержанию питательных веществ, необходимо большее понижение грунтовых вод, чем на богатых переходных. Меньшая норма осушения на последних объясняется возможностью корней растений получать необходимое количество пищи из меньшего по мощности слоя почвы.

Исследования норм осушения, проведенные в различных зонах страны, показали, что величины их по зонам довольно близки, изменяясь большей частью в пределах 40-60 см для торфяных почв, увеличиваясь до глубины 70-90 см для минеральных земель.

Существенное влияние на уровень грунтовых вод оказывает не только сток по каналам, но и расход влаги на суммарное испарение, складывающееся, как отмечалось в Лекции 1, из физического испарения и транспирации. Физическое испарение с поверхности почвы на верховых и переходных болотах различно.

По исследованиям В.В.Романова [27], капиллярный подъем влаги на микроландшафтах верховых болот не превышает 17-50 см. При снижении уровней ниже 30-40 см (а при осушении возможно и более глубокое снижение) испарение может резко уменьшаться. На переходных торфяниках капиллярный подъем влаги достигает 100-200 см, поэтому физическое испарение здесь достигает больших величин. Формирующийся после осушения древостой за счет транспирации усиливает суммарное испарение. В годовом расходе влаги оно превышает сток в 1,5-3 раза, летом - в 5-10 раз. За летне-осенний период (июнь - сентябрь) сток составляет 8-10% от годовой величины (рис. 34).

В отдельные месяцы стока по каналам на осушенных землях нет вообще. Суммарное испарение летом может превышать сумму выпавших осадков. В Лекции 1 указывалось, что в высокобонитетных древостоях оно составляет 400-450 мм.

Наблюдения за изменением уровней грунтовых вод на болотах под влиянием осушения показывают, что после сформирования на болоте сосняка III класса бонитета взамен сосняка V-Va классов грунтовые воды понижались на 20-30 %.

При выращивании культур сосны на осушенном переходном болоте в первые годы их роста грунтовые воды находились на глубине не более 35-4$ см. После сформирования на болоте соснового насаждения 1-1а классов бонитета грунтовые воды на этой глубине отмечались только весной. Летом уровень их снижался до глубины 60-80 см и более. Следовательно, обеспечив ному осушения в начальном периоде роста леса, в дальнейшем ее можно в значительной степени поддерживать за счет транспирации влаги древостоем.

Рис. 34. Соотношение испарения и стока на осушенных болотах.

Расстояние между каналами 205, 130, 65 м

Поэтому рекомендуемые нормы осушения можно считать «стартовыми», необходимыми в первые годы после осушения для обеспечения условий роста при формировании древостоев в новых условиях.

Для выращивания лесохозяйственными предприятиями сельскохозяйственных культур, проведения культурно-технических мероприятий и создания высокопродуктивных сенокосов требуется более интенсивное осушение (табл. 17), различное для разных видов сельскохозяйственных культур.

При осушении земель под сельхозпользование следует иметь в виду их особенности. На таких землях в большинстве случаев необходимо применение техники для обработки почвы весной, для вспашки или посевов. Требуется более раннее освобождение от верховодки верхних горизонтов почв для лучшей прогреваемости ее. Поэтому грунтовые воды при сельскохозяйственном использовании осушенных земель необходимо понижать на большую глубину и в более ранние сроки, чем при лесохозяйственном производстве.

Таблица 17 - Глубина грунтовых вод при осушении сельскохозяйственных культур, см (поданным Росгипроводхоза)

Контрольные вопросы. 1. Что является показателем аэрации почвы? 2. Почему при повышении температуры почвы летом не всегда происходит увеличение СО, в почвенном воздухе? 5. Какие различия между заболоченными землями и болотами? 4. Почему на временно избыточно увлажненных землях нет торфяного горизонта? 5. Виды заболачивания. 6. Как образуются болота? 7. Чем отличаются верховые болота от низинных? 8. Особенности гидрологии болот. 9. Что такое тип водного питания? 10. Какие земли целесообразно осушать в целях лесовыращивания? 11. Можно ли осушать верховые болота? 12. Что такое способ и метод осушения? 13. Что влияет на действие осушительных каналов? 14. Почему на мелких торфяниках, подстилаемых глинами, необходимо уменьшать расстояние между осушителями? 15. Что такое норма осушения? 16. Почему важно понижать грунтовые воды к началу роста деревьев? 17. Можно ли обеспечить осушение земель путем создания древостоев с высокой транспирацией? 18. Почему при осушении земель под сельскохозяйственные культуры требуется более низкое положение грунтовых вод?

Лекция 6