Гидрогеолого-мелиоративные исследования в связи с орошением и осушением земель

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Гидрогеолого-мелиоративные исследования в связи с орошением и осушением земель

27.07.2020

Для гидрогеологического обоснования проектов мелиораций проводят следующие виды исследований:

— изучение региональных гидрогеологических условий (включая режим и баланс подземных вод) объектов мелиорации и прилегающих территорий для проектирования мелиоративных систем, режима орошения, размеров водоотведения и т. д.;

— прогноз режима и баланса подземных вод в связи с осуществлением мелиорации;

— оценка гидрогеологических условий с целью установления очередности мелиорации земель, выбора типа и расчетов параметров дренажа, использования подземных вод для орошения и проектирования других мелиоративных мероприятий;

— проведение комплекса гидрогеологических наблюдений на мелиорированных землях для проверки достоверности гидрогеологических прогнозов, оценки эффективности дренажа, контроля мелиоративного состояния земель и т. д.

Эти работы выполняются обычно во время съемок и детальных изысканий непосредственно на объектах мелиорации, по трассам каналов, на участках расположения гидротехнических сооружений и т. д.

Детальность съемочных работ различна в разных странах и определяется сложившимися традициями, социально-экономическими условиями и другими факторами. В США, например, исследования для классификации земель по пригодности для орошения, на основании рекомендаций Бюро мелиорации Министерства внутренних дел, проводятся по схеме, приведенной в табл. 10.
Гидрогеолого-мелиоративные исследования в связи с орошением и осушением земель

Учитывая крупные масштабы съемок, особенно для земель проектируемого освоения и в то же время весьма незначительные рекомендуемые глубины скважин (в основном 1,5—3 м и то лишь при условии, если водоупорный пласт не находится на меньшей глубине), подобные исследования точнее было бы отнести к почвенно-мелиоративным, а не к гидрогеологическим.

При исследованиях рекомендуется изучать почвенный слой и подстилающую его породу (гранулометрический состав, водно-физические свойства и изменчивость их по вертикали и площади, фильтрационные свойства, содержание в породах натрия и гипса, общую засоленность, pH, минерализацию и химический состав грунтовых вод и т. д.). Результаты используют для классификации орошаемых земель, выделяя в общем случае шесть классов — от пахотных (пригодных для орошения) до непахотных, Классы различаются по ряду показателей и в конечном итоге — по потребности земель в искусственном дренаже и его параметрам. Последний показатель, влияющий на стоимость орошения земель, является одним из основных для отбора земель под освоение. Границы земель различных классов отражают на картах соответствующего масштаба.

Состав и методика изысканий для проектов осушения переувлажненных земель в ФРГ и других европейских странах даны Р. Эггельсманом. Особое внимание нм обращено на изучение болотных, грунтовых и напорных подземных вод и их взаимосвязи, определение содержания в воде железа в связи с опасностью «заохривания» закрытых дрен. Отмечается важность изучения инфильтрационного питания грунтовых вод и фильтрационных свойств пород нолевыми и лабораторными методами.

В Нидерландах на площади 1 га земель, намеченных к осушению, в двух-трех точках экспресс-методом оценивают фильтрационные свойства грунтов. Считается, что эти затраты окупают себя в процессе эксплуатации удачно осушенных земель.

Возможность полевого определения глубины залегания и минерализации грунтовых вод с помощью специального устройства описана Дж. Уилфредом. Предлагаемое устройство состоит из зонда, навинчивающегося на штангу, и регистрирующего устройства. Нижняя часть зонда выполнена в виде конуса, выше по окружности расположены фильтрующие отверстия, через которые вода заполняет внутреннюю полость зонда. С помощью изолирующего корпуса круговой формы в зонде центрируется трубка, внутри которой установлены двойные положительные электроды полюса (отрицательный выведен на корпус устройства). При погружении зонда в водоносные породы измеряемые величины электрического сопротивления передаются по кабелю на регистрирующее устройство. Прибор позволяет оценить минерализацию грунтовых вод, их агрессивность по отношению к бетону. В работе приведено схематическое описание предлагаемого устройства, дается техникоэкономическое обоснование применения и определена область его использования.

В общем комплексе гидрогеологических исследований на мелиорируемых землях значительное внимание уделяется изучению режима подземных вод. Как и в нашей стране, эти наблюдения ведутся по государственной и ведомственной сети скважин. В программу работ включаются наблюдения за режимом уровня грунтовых вод, изменениями пьезометрического уровня напорных вод. Дебитом фонтанирующих скважин и источников, за температурой и химическим составом подземных вод.

В практике гидрогеолого-мелиоративных исследований на орошаемых и осушаемых землях за рубежом большие работы проводятся по изучению водного баланса. Для этой цели используют экспериментальные методы, расчеты баланса методом конечных разностей, математическое моделирование н др.

Для опенки инфильтрационного питания грунтовых вод и расхода последних на испарение и транспирацию уже более 200 лет применяются лизиметры-испарители различных конструкций. Особое внимание лизиметрическим исследованиям уделяется в Нидерландах. В этой стране с высокоразвитой техникой осушения земель накоплен интересный опыт этих исследований. Одна из групп лизиметров, пожалуй самых крупных в мире, установлена в 1941 г. на лизиметрической станции Кострикум, в 2 км от побережья Северного моря.

Лизиметры (4 штуки), имеющие размер 25x25 м, выполнены из армированного бетона и заряжены дюнными песками. Уровень грунтовых вод поддерживается постоянным на глубине 2,4 м. Просачивающиеся атмосферные осадки отводятся дренами в специальную измерительную камеру, в которой уровень воды регистрируется поплавковым водомером-самописцем.

Результаты исследований используются для решения задач водоснабжения, в частности для планирования мероприятий но искусственному восполнению запасов грунтовых вод. Лизиметрические данные представляют большой интерес и для решения мелиоративных задач. Один из четырех лизиметров (№ 1) лишен растительного покрова. В лизиметре № 2 поддерживается естественная растительность дюн (с преобладанием моренной крушины). В лизиметре № 3 посажены широколиственные деревья — дуб, береза, ольха. Лизиметр № 4 засажен черной сосной. Вокруг каждого лизиметра (кроме № 1) сохраняется естественный растительный покров, рядом с лизиметрами установлены метеорологические приборы. Регистрация температуры и влажности почвы и пород зоны аэрации ведется и в лизиметрах. Наблюдения продолжаются до настоящего времени. Получен ценнейший материал для установления закономерностей водного режима песчаных почв и формирования грунтовых вод в гумидной зоне при разных вариантах растительного покрова. Результаты наблюдений освещены в рассмотренной выше работе и публикациях других авторов.

Данные об осадках, их инфильтрации (равной дренажному стоку), испарении и транспирации по лизиметрам за 1942—1954 гг. показывают, что величина (Р—Д) в первом лизиметре есть испарение, в остальных — эвапотранспирация. Значение таких многолетних наблюдений в общем комплексе воднобалансовых исследовании, проводимых с целью мелиорации, водоснабжения, прогноза режима грунтовых вод и т. д., трудно переоценить.

Кроме лизиметрической станции Кострикум, в Нидерландах с 1918 г. функционирует лизиметрическая станция Института почвенных исследований в Гронингене. Здесь установлены восемь лизиметров из армированного бетона площадью сечения 89 дм2 и глубиной 140 см. Они установлены на сельскохозяйственном поле с тем же растительным покровом, В лизиметрах изучаются не только элементы водного баланса и, в частности, водопотребление в условиях произрастания сельскохозяйственных культур, но режим и баланс питательных элементов почвы, вносимых с удобрениями.

С 1903 г. в районе Лейдена ведутся лизиметрические исследования Муниципальной комиссией по водоснабжению г. Амстердама. Количество просачивающихся осадков регистрируется самописцами в специальных резервуарах, в которые поступает эта вода. Обязательным условием правильной организации наблюдений является установка дождемеров-самописцев в непосредственной близости от лизиметров.

Группа лизиметров Центрального института сельскохозяйственных исследований работает в Вагенингене на участках польдерного осушения. Большинство лизиметров компенсационные, с поддерживаемым на постоянной глубине уровнем грунтовых вод. В части лизиметров уровень грунтовых вод автоматически поддерживается на той же глубине, что и на окружающем поле. Потребление воды травами, зерновыми, овощными и другими культурами изучается в условиях «субирригации» или поверхностного полива. Результаты наблюдений регулярно публикуют (но некоторым лизиметрам ежемесячно) и используют при эксплуатации существующих и проектировании новых мелиоративных систем.

В заключение следует подчеркнуть важность лизиметрических исследований для определения величины инфильтрации. Определение ее, как известно, необходимо для расчета нагрузки на дренаж сельскохозяйственных земель, оценки ресурсов грунтовых вод и решения многих других задач.

Для уменьшения затрат на исследования и изыскания, к сожалению, весьма часто прибегают к определению величины инфильтрации по разности между количеством выпадающих осадков (или подачей воды на орошение) и эвапотранспирацией, вычисляемой по эмпирическим формулам в зависимости от климатических и некоторых других факторов. Об ошибочности такого метода оценки инфильтрационного питания грунтовых вод можно судить по результатам специальных лизиметрических исследований, проведенных в Великобритании, в Северном Ноттингемшире. Исследования осуществлялись в 1972-1975 гг.

Исследования проводились на двух рядом расположенных лизиметрах, представляющих участки местности размером 10х10 м. Они сложены в основном мелкозернистыми песками, на которых сформировался почвенный слой мощностью 0,46 м. На глубине 3,9 м находится кровля мощного водоупорного горизонта мергеля пермского возраста. По периметру лизиметры ограничены трех-слойными полиэтиленовыми защитными покрытиями, уложенными в траншеи, врезанные в кровлю мергеля и в основании залитые бентонитом. Конструкция лизиметров исключает приток воды со стороны во время выпадения осадков и отток ее с опытной площадки. Участки были засеяны травяной смесью, высота которой постоянно поддерживалась равной 0,05 м.

Грунтовые воды в лизиметрах находились на такой же глубине, как и вне их, в среднем на 2,3 м. Наблюдательные скважины в лизиметрах и за их пределами были оборудованы поплавковыми уровнемерами системы Мунро. По сигналам последних автоматически включались насосы, приводившие в соответствие уровни грунтовых вод в лизиметрах н на окружающем их поле. Для определения ежедневной величины инфильтрации была составлена специальная программа для ЭВМ, учитывающая емкостные свойства грунта, изменения запасов влаги в ненасыщенной части зоны аэрации (регистрируемые нейтронным зондом, установленным в лизиметре) и другие данные.

В результате трехлетних наблюдений установлено, что в лизиметре № 2, при средней годовой сумме осадков, равной 535,7 мм, фактическая инфильтрация составила 341,7 мм, вычисленная — 223,0 мм. Средняя, измеренная инфильтрация по двум лизиметрам за тот же период достигала 175% но отношению к расчетной величине. Очевидно, такая погрешность может существенно отразиться на эффективности работы искусственного дренажа, на оценке ресурсов грунтовых вод и других параметрах. Несмотря на это, авторы статьи, отмечая недостатки лизиметров небольшого сечения и ограниченной глубины, затрудняющих нормальное развитие корневой системы растений, рекомендуют рассмотренный метод определения инфильтрации. Они считают его пригодным для широкого диапазона почв, растительности, климата даже при сравнительно глубоком залегании водоупора (до 10 м и более). Последнее положение аргументировано тем, что процесс эвапотранспирации, влияющий на величину инфильтрации, эффективен только до глубины 2 м ненасыщенной зоны, где располагается корневая система растений. Достоинством метода является возможность произвести точные измерения вне зависимости от количества осадков и величины испарения.

Для оценки инфильтрационного питания грунтовых вод на мелиорируемых землях, во многих странах применяются изотопные методы исследований, осуществляемые, как правило, при участии Международного агентства но атомной энергии (МАГАТЭ). Расходы на такие исследования незначительны но сравнению со стоимостью классических гидрогеологических методов.

Большое внимание за рубежом уделяется наблюдениям за влажностью почв и пород зоны аэрации. Изменения влажности почв и запасов влаги в указанной зоне, как известно, являются важным элементом водно-балансовых исследований. Эти данные необходимы для определения сроков полива и величины инфильтрационного питания грунтовых вод, а также прогнозов солевого режима почв на орошаемых землях.

Для определения влажности почв в полевых условиях используются разные методы. В частности, широко применяется нейтронный метод, основанный на определении влажности по скорости счета медленных нейтронов в единицу времени. Точность метода зависит от качества градуировка, которую можно выполнять несколькими способами. Лабораторная градуировка состоит в определении скорости счета при фиксированных значениях влажности. При полевой градуировке влажность определяется, как правило, гравиметрическим способом. Теоретическая градуированная кривая может быть вычислена на основании теории переноса, которая построена на предположении, что элементы почвы значительно слабее замедляют нейтроны по сравнению с почвенной влагой. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что погрешности измерений могут быть вызваны как свойствами почвы, так и технической характеристикой прибора. Активность источника, тип детектора и их относительное расположение в зонде влияют на наклон и форму градуировочной кривой. Различные свойства почвы оказывают воздействие на скорость счета. При внесении в почву удобрении и изменении концентрации солей увеличивается возможность получения заниженных показателей. На показания оказывают влияние изменения объемной массы почвы.

Нейтронный метод определения влажности почв был применен в НРБ, Так, например, нейтронный влагомер типа Трокслер (США) использовался для определения и регулирования запасов влаги в черноземе. Практическое решение проблемы заключалось в определении влияния плотности и химического состава почвы на тарировочную характеристику влагомера, чувствительность и точность измерения. Сравнение тарировочных характеристик, предложенных фирмой и полученных опытным путем в конкретных условиях показало значительное различие между ними. Объемная влажность почв, определяемая на основе тарировки проведенной фирмой оказалась завышенной в среднем на 6 %. Различие величины объемной влажности почв, определенной нейтронным влагомером, по отношению к весовому методу, составило для этих почв ±2,5%. Бурение скважины и установка в нее обсадных труб должны проводиться так, чтобы исключить зазоры между почвой и трубой, наличие которых может привести к снижению точности измерения влажности на 3—4%. Правильное применение метода позволяет определять объемную влажность почвы с высокой точностью.

В США для контроля за влажностью почв и определения сроков полива на орошаемых землях широко применяют тензиометры, которые благодаря простоте и дешевизне в ряде районов вытеснили другие методы их определения. Обычно на поле устанавливают 1—2 тензиометра. Иногда они располагаются кустами по две-три штуки. При мощности активного слоя менее 45 см устанавливается один тензиометр на глубине 30 см, более 45 см — два и более 1,2 м — три. В зависимости от показаний тензиометров разработаны рекомендации по срокам полива. Оптимальный для большинства растений режим создается при величине всасывания в почве, равной 0,01—0,02 МПа (влажность 60—75%).

Кроме США, тензиометры широко применяются в Чехии, Испании и других странах.

Тензнометр, сконструированный в Чехословакии, прошел обстоятельную проверку в лабораторных и полевых условиях при Орошении. С его помощью можно более точно устанавливать период максимального потребления влаги растениями, судить об эвапотранспирации и глубине почвенного слоя, из которого в основном происходит питание растений влагой. На однородных почвах достаточно установить тензнометр на глубине расположения корневой системы растений или в ином интересующем горизонте.

В Испании применяют тензиометры, представляющие нейлоновую трубку диаметром 1/8", одни конец которой заканчивается камерой с ртутью, а другой — присоединяется к тройнику. Действие прибора основано на измерении гидравлического напора, определяемого по поднятию ртути. Датчик устанавливается в шурфе на глубине исследуемого слоя.

Для изучения движения влаги в ненасыщенных грунтах, процессов засоления и рассоления почв, а также загрязнения грунтовых вод за рубежом применяются радиоизотопные методы исследований.

В США этот метод был применен при комплексных геолого-географических исследованиях в Южной Каролине. В качестве индикатора использовался тритий с периодом полураспада 12,3 года. Наблюдения за его передвижением проводились до глубины 5 м в течение 6 месяцев и позволили установить ряд закономерностей в миграции влаги, сорбции солей и процессах диффузии. Дж. Бахадар и др. приводят результаты изучения продвижения контура влажности, образующегося при выпадении атмосферных осадков и под влиянием орошения. В скважины малого диаметра вводилась тритиевая вода (НТО) порциями по 2 мл с интервалом по глубине 10 см. Концентрация НТО в грунте определялась нейтронным влагомером. Авторы отмечают надежность и простоту методики, а также измерительной техники. Ее не рекомендуется применять в условиях возможного интенсивного бокового оттока индикатора, при наличии трещин и при близком залегании грунтовых вод.

Модифицированный способ применения нейтронного влагомера для автоматического определения сроков полива описан в работе. Прибор позволяет производить повторные замеры влажности, работа с ним не препятствует обработке почвы.

Кроме охарактеризованных методов и приборов, в США для измерения влажности грунтов применяется портативный спектрофотометр. По ослаблению интенсивности монохроматического луча с длиной волны 1,94 мкм измеряется спектральный коэффициент поглощения спиртовой вытяжки. В качестве образцов выбирались суглинистые почвы. На основании экспериментальных данных получено уравнение, связывающее спектральную степень поглощения с влажностью почвы.

Для измерения влажности почвы в комплексе с тензиометрами используются также гипсовые блоки. Последние представляют собой небольшие цилиндры, которые укладывают в почву на различную глубину в пределах корнеобитаемого слоя. Увлажнение стенок цилиндров и их электрические сопротивления зависят от влажности почв. Изменение сопротивлении фиксируется приборами, шкала которых протарирована в процентах влажности почвы. Каждый блок содержит не менее двух цилиндров, закладываемых на различную глубину водоносного горизонта. По данным о влажности почвы определяют время начала и окончания поливов. В начале вегетации влажность ее определяют один раз в пять дней, в дальнейшем — через три дня.

Л. Келак на основании лабораторных исследований дал сравнительную опенку разных методов определения влажности. Исследовались методы: электрометрический с угольными электродами; радиоизотопный, основанный на измерении проницаемости бета-излучения, испускаемого фосфором-32; пористых зондов с гипсовыми блоками и стандартный весовой в качестве контрольного. Установлено, что все методы, за исключением пористых зондов, показали высокую точность измерения по сравнению со стандартным. Наилучшие результаты получены при измерении радиоизотоп иым методом.

В практике гидрогеолого-мелиоративных исследований для засоленных почв не меньшее значение, чем определение влажности, имеет измерение в полевых условиях степени их засоления. С этой целью в США в Лаборатории засоленных почв Министерства сельского хозяйства (Риверсайд, штат Калифорния) разработано несколько моделей портативных приборов, определяющих засоление почв по их электропроводности. Измерения проводятся при полном естественном водонасыщении почвы (после полива или дождя). Испытания приборов, проведенные на различных почвах, показали более высокую точность анализов по сравнению с определением засоленности в лабораторных условиях.

Для изучения закономерностей формирования и прогнозов химического состава грунтовых вод на мелиорируемых территориях необходимы анализы водных вытяжек. Заслуживает внимания метод извлечения водной вытяжки, предложенный Р. Петтерсоном и др. В указанной работе описаны конструкции грунтовых пробоотборников и аппаратура для получения водной вытяжки из проб грунта, а также методика этих работ. Водная вытяжка из мелкозернистых или обогащенных органическим веществом осадков получилась путем механического отжатия. Использованные приборы развивали давление до 5 МПа, причем было установлено, что величина давления не влияет на концентрацию порового раствора. Из грубозернистых, плохо сжимаемых грунтов водную вытяжку получают методом продавливания эпоксидной смолы через образен. Рассматриваются методы анализа порового раствора.

В практике зарубежных исследований, выполняемых для целей мелиорации земель, применяются и космические методы.

Геологической службой США в период 1967—1971 гг, осуществлялась аэрофотосъемка юго-восточной и центральной частей штата Аризона в красном, зеленом и инфракрасном спектрах с высоты 460—18 000 м на участках с различными климатическими условиями. Для определения эвапотранспирации использованы аэрофотоснимки аллювиальной равнины Гила на площади 690 га, лишенной растительного покрова, и на площади 890 га, покрытой растительностью. Коэффициент корреляции эвапотранспнраций, определенной экспериментально и на основании дешифрирования аэрофотоснимков, составляет 0,86—0,93. Определение по аэрофотоснимкам уровня подземных вод целесообразно лишь при его залегании на глубине менее 9 м. Погрешность определения составляет 1,6 м.

Гидрогеологическое районирование имеет важное значение для выделения площадей с разными условиями проведения мелиоративных мероприятий. Большинство зарубежных исследователей считают, что оно должно проводиться с учетом геоморфологии районируемых территорий, литологического состава пород, их тектоники, гидрогеологических особенностей, режима подземных вод и др.

В НРБ при указанном районировании большое значение придается режиму грунтовых вод, который нередко является основным показателем, используемым для этого. Так, по результатам изучения режима грунтовых вод, проводившегося в период 1966—1974 гг., проведено районирование западной части Софийской котловины. В зависимости от колебаний уровня и его предельных значений, времени спада и подъема выведена многофакторная зависимость между уровнями подземных вод и отдельными климатическими характеристиками, на основании которой можно составлять краткосрочные прогнозы изменений уровня с заблаговременностью I—2 месяца.

Районирование территории СРР, перспективной для орошения, произведено в плане выявления опасности вторичного засоления орошаемых почв. В основу районирования положена оценка качества оросительной воды. Для этой оценки использованы значения ирригационного коэффициента. Аналогичный принцип районирования принят при составлении карты химического состава подземных вод Франции.

Районирование территории ПНР подчинено задачам мелиорации переувлажненных земель. В качестве критериев районирования приняты: содержание в почве частиц менее 0,02 мм, фильтрационные свойства почвенного слоя мощностью 50—70 см и характер подстилающего его грунта до глубины 2 м. Учтены также особенности геоморфологии районируемых территорий, геологическое строение, гидрогеологические условия, общий характер водного питания земель и стока поверхностных вод, водный режим. Для выделенных районов рекомендован комплекс агромелиоративных мероприятий, даны критерии для определения расстояний между дренами.

Методы прогноза естественного и нарушенного режима уровня и химического состава подземных вод, применяемые за рубежом, рассмотрены в разделе «Режим подземных вод» настоящей монографии.

Для гидрогеологических прогнозов, связанных с решением водохозяйственных задач, в США, Франции и других странах широко применяются численные методы и аналоговое моделирование. Так, в США для ряда речных бассейнов или отдельных их частей созданы постоянные электрические модели, отражающие работу и взаимодействие сети эксплуатационных скважин, связь подземных и поверхностных вод, позволяющие прогнозировать влияние новых водозаборов на режим подземных вод и суммарный дебит существующей системы скважин, а также на речной сток, его минерализацию и т. д.

Методы прогноза минерализации и химического состава грунтовых вод при подъеме их уровня, вызванном строительством водохранилища в бассейне р. Вистула (ПНР) рассмотрены Я. Пихом. Им зафиксировано повышение минерализации грунтовых вод в аллювиальных отложениях террас. При этом выделены две стадии формирования химического состава вод. Первая стадия продолжалась четыре года после постройки водохранилища, наполненного водой в 1969 г. В этот период изменения происходили главным образом под влиянием испарительной концентрации. Во второй стадии главенствующую роль играли процессы катионного обмена. Повышение минерализации грунтовых вод ухудшило условия использования их для сельскохозяйственного водоснабжения. Для прогноза минерализации грунтовых вод Я. Пих предлагает использовать метод аналогов и метод, основанный па учете различных параметров, определяющих процесс формирования химического состава грунтовых вод.

В последние годы в связи с увеличением минерализации речных вод в орошаемых районах вследствие сброса в них дренажных вод особое значение приобрели прогнозы минерализации дренажного стока. Они необходимы для решения вопросов не только охраны окружающей среды, но и тесно связанных с этой проблемой вопросов использования дренажных вод для орошения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: