Водно-балансовые расчеты. Методы регулирования

Водного режима грунтов

 

Водный режим на мелиорируемых землях в течение года существенно меняется, и возможное его изменение необходимо устанавливать или прогнозировать заранее на стадии проектирования. Из основных характеристик водного режима почвогрунтов можно достаточно надежно прогнозировать изменение запасов влаги и хуже - динамику уровней грунтовых вод. Прогнозирование изменения запасов влаги в почвах выполняют с помощью «водно-балансовых расчетов».

При расчете водного баланса сопоставляют приходные и расходные элементы водного режима. Приходными элементами водного баланса являются: атмосферные осадки N; притоки поверхностных вод V и грунтовых вод G; конденсат атмосферной влаги на поверхности и в почве А. Расходную часть водного баланса составляют: суммарное испарение Е, включающее транспирацию влаги растениями, и испарение с поверхности земли; поверхностный сток S и отток грунтовых вод за пределы участка О.

В уравнение водного баланса необходимо включать также влагообмен с нижерасположенными горизонтами (переток грунтовых вод) П, который может быть положительным (при притоке напорных грунтовых вод) или отрицательным (при оттоке грунтовых вод вниз). Для решения уравнения водного баланса используют метеоданные, а также материалы гидрологических и гидрогеологических исследований и изысканий.

Уравнение водного баланса для осушаемого массива или его части имеет следующий вид

±ΔW±ΔV=(N+V–S)+(G–O+A±П)–Е, (1.8)

где — изменение (прибыль или убыль) запасов почвенно-грунтовых вод; — изменение запасов поверхностных вод.

Водно-балансовые расчеты осушаемых территорий выполняют для количественной оценки типов водного питания и определения методов осушения, а также для установления потребности в увлажнении почв.

Уравнение водного баланса можно упростить для периода вегетации сельскохозяйственных культур.

Таким образом, уравнение водного баланса для вегетационного периода в упрощенной форме

(1.9)

где М - показатель водного баланса; при отрицательном его значении (- М) в вегетационный период будет наблюдаться дефицит почвенной влаги и необходимо дополнительное увлажнение сезонной нормой М; при положительном значении показателя водного баланса {+М) в почве будет избыток влаги, который необходимо отвести для поддержания в корнеобитаемом слое допустимых запасов влаги; - запас продуктивной влаги в почве на начало вегетационного периода; это не полный объем воды в почве, а только его часть, доступная растениям; - эффек­тивные осадки за вегетационный период; это та часть осадков, которая поступает в почву и увеличивает запасы почвенной вла­ги; Е - суммарное испарение (водопотребление) растениями и почвой за вегетационный период.

Входящие в уравнения элементы водного баланса выражают в м³/га или мм. Соотношение между ними следующее: 10 м³/га = 1 мм слоя воды.

При расчете режима увлажнения сельскохозяйственных куль­тур водно-балансовые расчеты проводят по месяцам вегетационного периода для условий средних по влажности, сухих и острозасушливых лет с обеспеченностью (вероятностью превышения) по осадкам 50, 75 и 90%, а по дефицитам влажности воздуха - соответственно 50, 25 и 10%. Уравнение водного баланса лучше записать в таком виде , (1.10)

где - запас продуктивной влаги на начало расчетного месяца; для первого месяца он принимается равным запасу продуктивной влаги на начало вегетационного периода, для последующих меся­цев - запасу влаги на конец предыдущего месяца; - эффективные осадки за расчетный месяц; Е - суммарное испарение за расчетный месяц; М - количество воды, которое необходимо подать на увлажнение (при положительном М) или сбросить (при отрицательном М) для поддержания в корнеобитаемом слое почвы допустимых запасов влаги. Составляющие уравнения водного баланса определяют следующим образом:

1. Запас продуктивной влаги в расчетном слое почвогрунтов W_пр (м³/ra) на начало вегетационного периода находят по формуле

W_пр =W_н – W_м, (1.11)

где - полный запас влаги в расчетном слое на начало вегетационного периода, м³/га; ; - минимально допустимый запас влаги в расчетном слое в вегетационный пе­риод, м³/га; .

Тогда , (1.12)

где p - скважность (пористость) почвы, % объема; Н _р - мощность расчетного слоя, м (ее следует принимать равной средней за вегетационный период норме осушения); γ_н, γ_р - средняя по расчетному слою влажность почвы, % полной влагоемкости, на начало вегетационного периода и наименьшая допустимая на протяжении вегетационного периода.

Влажность почвы по глубине изменяется в зависимости от положения уровня грунтовых вод (рис. 1.5). При этом у поверх­ности земли она приближается к минимально допустимой для растений, а на линии уровня грунтовых вод приближается к полной.

На торфяных почвах Полесья Украины запас продуктивной влаги на начало возобновления вегетации трав и при посадке картофеля составляет 1000...1250 м³/га, в лесостепи снижается до 800...1000 м³/га. На минеральных почвах запас продуктивной влаги находится в пределах 1000…1600 м³/га.

Рис. 1.5 - Схема к определению объема продуктивной влаги на начало вегетационного периода: 1 - положение УГВ в начале вегетационного периода;. 2 - допустимое понижение УГВ в вегетационный период; 3 - эпюра влажности почвогрунтов в начале вегетационного периода; 4 - то же при наиболее низком положении УГВ; 5 - объем продуктивной влаги на начало вегетационного периода; 6 - поверхность земли

 

2. Эффективные осадки (в м³/га) за вегетационный период или месяц определяют по формулам

(1.13)

(1.14)

где s - коэффициент стока; - коэффициент использования осадков; - расчетные осадки, мм.

Коэффициент использования осадков k_п для зоны Полесья и Лесостепи Украины следует принимать в зависимости от влажности года; для среднего года (50% обеспеченности по осадкам) - 0,65; для сухого года (75% обеспеченности) 0,70 и для острозасушливого года (90% обеспеченности) - 0,80.

На территории Полесья Украины за вегетационный период выпадает осадков от 150...200 мм - в сухие годы, 250...300 мм - в средние годы и до 350...400 мм - во влажные.

3. Суммарное испарение за вегетационный период (в м³/га) на осушаемых землях Украины рекомендуют определять по формуле А. М. Янголя

(1.15)

где - коэффициент, зависящий от вида сельскохозяйственных культур; он составляет: для зерновых 70...100, корнеплодов - 25...57, многолетних трав на сено 187,5 и на зеленую массу - 50,7; Y - проектная урожайность сельскохозяйственных куль­тур, т/га; п - коэффициент, зависящий от глубины залегания уровня грунтовых вод, , е - основание натуральных логарифмов;

Н - средняя за вегетационный период глубина залегания уровня грунтовых вод, м; -сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за вегетационный период, мм.

На осушаемых землях суммарное водопотребление различными сельскохозяйственными культурами за вегетационный период составляет 3000...5500 м³/га (300...550 мм).

Распределение водопотребления по месяцам можно производить в соответствии с данными табл. 1.5.

Суммарное испарение (в мм) за любую декаду вегетацион­ного периода можно вычислять и по формуле Дирсе

, (1.16)

где k - биологический коэффициент, который зависит от фаз развития растений (k = 0,5... 1,0); - суммы среднесуточных дефицитов влажности воздуха за декаду, мбар.
Таблица 1.5 - Распределение водопотребления сельскохозяйственными культурами по месяцам вегетационного периода

Культура	Обеспеченность года по осадкам, %	Водопотребление по мес.-м, %	Всего, %
IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
Яровые зерно­вые		-
		-						—
		-						—
Овощные		-	—
		-
		-						—
Кормовые кор­неплоды		-	—
		-
		-
Кукуруза на силос:		-
							—
							—	,
							—
Многолетние травы на сено
								-
								-

 

4. Величину подпитывания от грунтовых вод (в мм) за вегетационный период или месяц можно определять по формуле Б. С. Маслова

Е_г= (1.17)

где - испаряемость (испарение при достаточном увлажнении почвы) соответственно за вегетационный период или месяц, мм; е - основание натуральных логарифмов; п - коэффициент, зависящий от вида сельскохозяйственных культур; для многолетних трав n =1,4; для картофеля п = 2и для овса п = 3; H - средняя за расчетный период глубина залегания уровня грунтовых вод, м. При Н <0,5 м в формулу следует подставлять значение Н = 0,5м.

За вегетационный период в активный слой торфяных и суглинистых почв поступает от грунтовых вод до 150...250 мм воды при залегании их уровня на глубине Н =1 м, до 100... 150 мм - при Н = 1,5 м и до 30... 60 мм - при Н =2 м.

На основании водно-балансовых расчетов устанавливают тип мелиоративной системы и необходимое количество воды на увлажнение. Если в среднем и сухом годах большинство сельскохозяйственных культур испытывает дефицит почвенной влаги, то следует проектировать осушительно-увлажнительную систему двухстороннего действия; если же избыток влаги - осушительную систему одностороннего действия. Когда показатель водного баланса М близок к нулю, проектируют осушительную систему с предупредительным шлюзованием.

В условиях Полесья Украины в почвогрунтах наблюдается дефицит влаги: в засушливые годы 1500...2000 м³/га, в средние по влажности годы 300...800 м³/га, во влажные годы дополнительное увлажнение не требуется. Следовательно, в этих районах, как правило, нужны осушительно-увлажнительные системы.

Изменение влагозапасов в почвогрунтах за любой период приводит и к изменению положения уровня грунтовых вод. Данную зависимость описывают уравнением

(1.18)

где — изменение влагозапасов, м³/га; β - коэффициент водоотдачи грунта; - изменение глубины залегания уровня грунтовых вод, м.

С помощью мелиоративной систем ы можно управлять водным режимом и его элементами: уменьшать приток поверхностных и грунтовых вод со стороны (за счет оградительной сети), увеличить или уменьшать сток с осушаемой территории (за счет осушительной сети и сооружений на ней), а применяя агротехнические приемы, частично регулировать и суммарное водопотребление Е.

При проектировании мелиоративных систем следует составлять также баланс питательных веществ, т. е. поступление их с различными видами и потребление растениями.

Основными методами регулирования являются - орошение и осушение.

Мелиоративная практика оперирует двумя терминами: метод регулирования и способ регулирования. Здесь в слова метод и способ (грамматические синонимы) вкладывается разный смысл.

По воздействию на почву и растения мелиорации орошением делят на увлажнительное, удобрительное и специальное.

Увлажнительное орошение делится на действующее регулярно и одно­кратно.

При регулярно действующем орошении почва увлажняется в необходимые сроки и в требуемом количестве в любой части оросительной системы. При поступлении воды в ороситель­ную сеть из источника самотеком орошение называют самотечным. В случае подъема воды из источника в оросительную сеть насос­ными станциями орошение называют механическим. Регулярное орошение в бывшем СССР использовали на 85%, а механическое - на 15% орошаемой площади.

При однократно действующем орошении почва увлажняется один раз в год путем затопления земель водами весеннего стока (лиманное орошение) или паводковыми водами (паводковое орошение). Лиманное и паводковое орошение распространено преимущественно в России и Казахстане, занимая около 10% всей орошаемой площади.

Удобрительное орошение применяют для внесения удобрений в почву с помощью воды, которая, являясь растворителем удобрений, транспортирует их в почву. Сюда относится полив сточными водами, а также полыми водами, содержащими большое количество взвешенных наносов, которые отлагаются на полях и удобряют их. Удобрительное орошение пока еще мало распространено и занимает около 1% орошаемых площадей.

Специальное орошение включает отеплительное, окислительное, почвоочищающее и др. Отеплительное орошение применяют для согревания почвы путем полива ее водой более теплой, чем почва. Для этой цели используют отработанные воды теплоцентралей, атомных электростанций, термальные воды. При окислительном орошении поливную воду обогащают кислородом и подают на поля, почвы которых им обеднены (пойменные луга, рисовые поля). Почвоочищающее орошение применяют для удаления из почвы избытка солей, истребления вредителей сельскохозяйственных растений (мышей, личинок майского жука) путем затопления водой очищаемой почвы, это широко распространено в Уз­бекистане, Туркмении, Азербайджане, на Северном Кавказе и в южных областях Украины.

Методы регулирования осушением. Методы осушения - основные при устранении избыточной увлажненности земель (или принципы воздействия на водный режим).Их назначают в зависимости от типов водного питания и причин избыточного увлажнения.

Применяют следующие основные методы осушения.

1. Понижение уровня грунтовых вод - на объектах атмосферного и грунтового безнапорного водного питания на водопроницаемых почвогрунтах.

2. Снижение напорности грунтовых вод - на объектах грунтово-напорного водного питания.

3. Ускорение стока поверхностных вод и отвода воды из пахотного горизонта - на объектах атмосферного водного питания на водоразделах и пологих склонах с тяжелыми по механическому составу слабопроницаемыми почвогрунтами.

4. Ограждение осушаемой территории от притока со стороны избыточных поверхностных и грунтовых вод (перехватывание этих вод).