Прогноз зміни рівня підгрунтових вод

 

Після введення в дію зрошувальної системи на ділянці необхідно знайти можливі зміни в складових водного балансу, які викличуть зрошення. При зміні хоч би одного елементу можуть суттєво змінитися і величини інших складових, а ті в свою чергу будуть впливати в цілому на меліоративні обставини зрошуваної території. Так, наприклад, фільтрація з каналів або тимчасової зрошувальної мережі може вплинути на положення рівня підгрунтових вод, а ті в свою чергу вплинуть як на величину притоку в зону аерації зі сторони підгрунтових вод так і на величину перетоку в нижче лежачі горизонти. Окрім того фільтрація із каналу може значно змінити величину підземного притоку в сторону зрошуваної ділянки і т.д. Іншими словами, щоб оцінити можливі зміни складових водного балансу необхідно знати їх кількісні зв’язки, започатковані на пізнанні суті процесу.

Як показує практика, зразу ж після початку зрошення змінюється водний режим поверхневих і ґрунтових вод, а вслід за ними і підгрунтових вод.

Рівняння водного балансу для зрошуваних масивів можуть бути записані наступним чином:

а) для поверхневих і ґрунтових вод (на полях)

(2.1)

б) для підгрунтових вод

(2.2)

в) загальний баланс

(2.3)

де – зміни запасів води (поверхневих, ґрунтових, підгрунтових і загальних), м³/га

– зрошувальна норма (нетто), яка подається на поля з мережі, м³/га

– опади, м³/га

– випаровування частини опадів, які не вживилися до ґрунту, м³/га

– транспірація і випаровування з ґрунту, м³/га

– частина фільтрації з каналів, яка поступає на живлення підгрунтових вод;

– фільтрація з каналів (закритої мережі) усіх порядків, м³/га

– поверхневі скиди безпосередньо з полів, м³/га

– вертикальний водообмін між ґрунтом і підгрунтовими водами (знак “+” – надходження підгрунтових вод до ґрунту), м³/га

– підземний приток і відток, м³/га

– дренажний стік (навантаження на дренаж), м³/га

– вертикальний водообмін підгрунтових вод з більш глибоко залягаючими підземними водами (знак “+” – живлення підгрунтових вод знизу), м³/га;

– водозабір з урахуванням поверхневого притоку і скидів, м³/га

(2.4)

де – головний водозабір, м³/га;

– поверхневий приток зі сторони, який потрапляє в систему зрошувальних каналів, м³/га;

– транзитні і інші скиди із зрошувальних каналів, які минають поля, м³/га

Рівняння записані в достатньо загальному виді і можуть бути використані як для великих масивів, систем, так і для їх частин. В залежності від конкретних умов зрошуваної ділянки вони можуть бути спрощені. Так, наприклад, боковий приток і відток підгрунтових вод через слабопроникнені шари малі і тому можливо прийняти . При відсутності напірного живлення балансового шару підземними водами р=0. Крім того, якщо на сівозмінній ділянці поливи виконуються якісно, внаслідок чого і =0.

Величину і напрямок вертикального водообміну між ґрунтовими і підгрунтовими водами можна визначити з рівняння балансу підґрунтових вод, які можна представити у такому виді:

, (2.5)

де – зміна запасів підґрунтових вод на 1 га за 1 рік, м³/га;

– доля опадів, які поглинулися ґрунтом (при малих ухилах місцевості і достатньої проникненості ґрунтів )

– сумарне випаровування з поверхні і ґрунту, а також транспірація (для наближених розрахунків може бути прийнята рівною середньозважувальній величині сумарного водовикористання), м³/га.

При відсутності підземного бокового притоку і відтоку це рівняння спрощується і приймає вигляд:

(2.6)

У даному рівнянні величина вертикального водообміну ґрунтових і підгрунтових вод прийнята позитивною, тобто приоритетним прийнято напрямок висхідних токів.

За розрахунковий рік можна рахувати , так як на протязі вегетації запаси підґрунтових вод підтримуються за рахунок зрошення, а в невегетаційний період поповнюються вологозарядними поливами. Тоді величина і напрямок вертикального водообміну між ґрунтовими і підгрунтовими водами находяться з рівняння:

, (2.7)

Якщо з гідрогеологічних умов ділянки відомо напрямок потоку підгрунтових вод, ухили поверхні підґрунтових вод по напрямку потоку, а також ширина фронту потоку, який подається, то тоді приток який подається на територію ділянки й відток визначається за формулою:

(2.8)

де – середній коефіцієнт фільтрації ґрунту, складаючий водоносну товщу, м/доб;

– середня потужність водоносного шару, м;

– ухили поверхні підгрунтових вод на початку і в кінці їх потоку на ділянці;

– фронт (ширина) потоку, м;

– кількість діб у році;

– площа брутто зрошуваної ділянки, га

При здійсненні поливів із закритої або комбінованої зрошувальної мережі значно зменшується фільтрація, величина якої розраховується за формулою:

(2.9)

 

де – коефіцієнт корисної дії внутрішньогосподарської зрошувальної мережі.

Зрошувальна норма нетто, яка подається на 1га зрошуваної площі брутто знаходиться за формулою:

(2.10)

 

де – коефіцієнт земельного використання;

– сумарна середньозважувальна зрошувальна норма, нетто, м³/га

У свою чергу знаходять за формулою:

(2.11)

 

де – сумарна зрошувальна норма сільськогосподарських культур на полях сівозмінної ділянки, м³/га;

– доля сільськогосподарських культур від загальної площі сівозмінної ділянки.

Випаровування з водної поверхні опадів, які не поглинаються ґрунтом, а також транспірація і випаровування з ґрунту може бути виражено як сумарне випаровування вегетаційного () і невегетаційного періоду () тобто

(2.12)

 

Середньовагома величина сумарної водопотреби вегетаційного періоду знаходиться за формулою:

(2.13)

 

де – сумарна водопотреба сільськогосподарських куль­тур на полях сівозмінної ділянки, м³/га

– доля сільськогосподарських культур від загальної площі сівозмінної ділянки.

Величина сумарного випаровування невегетаційного періоду для зони півдня України звичайно змінюється в інтервалах 700...800 м³/га

Атмосферні опади, за винятком поверхневого стоку, можна виразити як , де – коефіцієнт, який показує долю опадів, яких поглинув ґрунт. Для умов середньосухого року, спокійного рельєфу і нормальної водопроникненості ґрунту ця величина складає 0,9...1,0.

Виходячи з вищевикладеного, загальне рівняння водного балансу для зрошуваних масивів може мати такий вид:

(2.14)

 

Щорічний приріст рівнів підгрунтових вод, викликаний зміною запасів води () можна визначити з формули

, (2.15)

 

де – коефіцієнт недостатку насичення ґрунтів зони аерації

Коефіцієнт недостатку насичення або водовіддачі ґрунту є важливим параметром, який необхідний для розрахунків режиму невстановленої фільтрації. При підвищенні рівня підгрунтових вод (РПВ) значення характеризує недолік насичення (вільну поризність) ґрунту, розташованого вище кривої депресії, а при зниженні рівня – водовіддачу, тобто можливість ґрунту віддавати воду під дією сили тяжіння.

Величину не можна розглядати як деяку сторонню характеристику, бо вона залежить не тільки від структури ґрунту, але й від глибини залягання підгрунтових вод, швидкості їх зміни при підйомі або спаді і т.п.

Для визначення часу підйому РПВ до критичних позначок необхідно знати допустиму глибину залягання підгрунтових вод.

За академіком О.М.Костяковим критична глибина підгрунтових вод це граничне їх положення, вище якого в ґрунті утворюється накопичення воднорозчинених солей у небезпечній концентрації. Ця величина залежить від ступеню мінералізації підгрунтових вод, механічного і структурного складу ґрунту.

Академік О.М.Костяков встановив залежність критичної глибини залягання РПВ від їх мінералізації (табл. 4.1).

Таблиця 4.1 – Залежність від мінералізації підгрунтових вод (МПВ)

МПВ, г/л	більше 7,0	6,0	5,0	4,0	3,0	1,5
, м	3,5	3,25	3,0	2,6	2,2	1,5

 

На основі вище приведених рекомендацій, а також використовуючи вихідні дані необхідно визначити критичну глибину залягання рівня підгрунтових вод (). Після визначення необхідно визначити час, за який РПВ досягне критичних позначок:

(2.16)

 

де – початкове (вихідне) положення рівня підгрунтових вод, м

За отриманими даними необхідно побудувати графік динаміки РПВ на зрошуваній ділянці (рис. 4.1)

Таким чином, середньорічна швидкість підйому рівня підгрунтових вод до критичної глибини складає:

(2.17)

 

де (2.18)

Надалі можна визначити об’єм води який піднявся до критичних позначок з розрахунком на один квадратний метр:

(2.19)

 

де – поризність (скважність) ґрунту.

Це заповнення відбувається в основному знизу доверху, так як головною складовою частиною живлення підгрунтових вод є фільтрація із зрошувальної мережі, а не з полів.

Якщо припустити, що з балансу втрати із зрошуваних полів () складають живлення підгрунтових вод, а фільтрація із зрошувальної мережі складає , то тоді весь об’єм води, який піднявся, визначається із слідуючи міркувань.

Місткість заповнюється водою знизу на величину , яке сягає 2,025 м³, а зверху в неї надходить , яке в свою чергу становить 0,675 м³.