Регулирование режима грунтовых вод при осушении земель

При осушении переувлажненных земель обязательным условием является обеспечение оптимальной глубины залегания грунтовых вод, которая в комплексе с другими факторами определяет влажность почвы. Как известно, эта глубина зависит от гранулометрического состава почв, растительного покрова, климатических условий и т. д. Отклонение ее как в ту, так и в другую сторону приводит к ухудшению водного, воздушного и питательного режимов почв и в конечном итоге к снижению урожая.

По опыту осушения земель в Нидерландах влияние глубины залегания грунтовых вод на урожайность сельскохозяйственных культур для различных почв характеризуется данными, приведенными на рис. 22. Оптимальными глубинами залегания грунтовых вод являются: для средних и тяжелых почв 60—120 см, для средних 60—80 см, легких (песчаных) 30—40 см. Отмечено, что в этой стране при небольшой глубине залегания грунтовых вод урожайность снижается из-за недостаточной аэрации почвы и периодического дефицита атмосферных осадков. Например, при произрастании картофеля в глинистой или супесчаной почве при уровне грунтовых вод на глубине 1,2 м можно ожидать урожая 31 т/га с 20%-ной вероятностью, а при уровне 0,90 м — 49 т/га и более с 50%-ной вероятностью.

При осушении земель в гумидных районах США понятием норма осушения не пользуются. Влияние глубины грунтовых вод на урожай сельскохозяйственных культур установлено только в пределах 100—120 см. Для торфяных почв глубины грунтовых вод при осушении под полевые культуры следующие: в штате Мичиган 76—90 см, Миннесота 90—100 см, Индиана —60 см, Флорида 60—75 см; при осушении под луга — 45—60 см.

При отсутствии опытных данных рекомендуются следующие расстояния между дренами: 10—23 м при низкой, 20—33 м при средней и 33—99 м при высокой водопроницаемости почв.

В гумидной зоне на осушенных землях, в определенных почвенно-климатических условиях, огромное значение для плодородия почв имеет их дополнительное увлажнение. Оно достигается шлюзованием осушительной сети или дождеванием посевов. Выбор метода увлажнения и проектирование осушительно-увлажнительных систем, как и эксплуатация их, в значительной мере определяются гидрогеологическими условиями, особенностями и закономерностями режима грунтовых вод. При постановке гидрогеологических изысканий и выдаче соответствующих рекомендаций проектировщикам, а также при проведении регулярных наблюдений за режимом грунтовых вод в процессе эксплуатации осушительно-увлажнительных систем, целесообразно учесть опыт осушения и двустороннего регулирования водного режима осушенных почв.

Приведем несколько примеров мелиораций рассматриваемого-вида.

В Чехии применена автоматизированная осушительно-увлажнительная система. Ее конструкция разработана в Институте гидрологии и гидравлики Словацкой академии наук и предусматривает регулирование уровня грунтовых вод. В этой системе изменение функции дренажа осуществляется путем изменения напора в дренажной сети с помощью регулирующих, колодцев, сооружаемых на коллекторах. Система автоматически реагирует на изменение влажности почвы, которая измеряется почвенным контактным тензиометром. Как только уровень грунтовых вод понижается до определенной отметки, тензиометр подает импульс для закрытия устья дрены, вода попадает в дренажную сеть, происходит напорная фильтрация ее из дрен в почву, уровень грунтовых вод повышается, влажность почв увеличивается. В случае, когда она превышает допустимые нормы, система переходит от режима орошения к режиму осушения. Преимущества предлагаемой системы состоят в следующем: I) возможность проведения как осушительных, так и оросительных мероприятий; 2) предупреждение переувлажнения поверхностного слоя почвы и сохранение ее структуры; 3) подача воды в корнеобитаемый слой почвы в заданных нормах, что приводит к экономии воды; 4) сокращение потребности в рабочей силе.

В условиях пойменных террас округа Потсдам в ГДР, в 1971—1974 гг. построены системы двустороннего регулирования с помощью сети открытых каналов глубиной 1,5 м, расположенных друг от друга на расстоянии 600—1000 м и выведенных в них без-уклонных закрытых дрен из полуциркульных лотков длиной по 4 м, положенных через 40—200 м. Технико-экономические показатели работы изучали на четырех объектах.

На участке Уетере Хафель-Доссе площадью 250 га на мелком и среднем торфянике, подстилаемом песками, до мелиорации грунтовые воды летом опускались на глубину до 2 м. После строительства системы двустороннего регулирования на площади 125 га с открытыми каналами через 700 м и закрытыми дренами на глубине 1,05 м уровень грунтовых вод находился на глубинах 0,69—1,11 м; в вегетационный период уровень поддерживался на глубине 0,40—0,50 м. Урожай трав (тимофеевка, клевер, райграс английский и др.) возрос с 250 ц/га (перед мелиорацией) до 475 ц/га (после мелиорации).

На польдере Линум, в пределах участка осушения площадью 19 тыс. га, после строительства системы двустороннего регулирования на площади 1775 га уровень грунтовых вод в вегетацию поддерживали на глубине 0,60 м, а во время уборки трав — 0,80—0,90 м. Дрены укладывали на глубине 1,2 м через 80 м. В 1973 г. 70% мелиорированной площади распахали под картофель и зерновые культуры и получили существенный прирост урожаев. По данным ряда исследователей, закрытые системы двустороннего регулирования уровня грунтовых вод в условиях ГДР наиболее пригодны для площадей, сложенных песчаными отложениями.

К. Шварц и В. Сейфет изучали двустороннее регулирование йодного режима псевдоглеевых почв. Исследования проводились в Хинсдорфе (ФРГ) на избыточно увлажненных почвах с глубоким залеганием грунтовых вод при естественном водопроницаемом горизонте, находящемся ниже корнеобитаемого слоя. Комбинированным способ орошения и осушения, отвечающий условиям водного режима указанных почв и водопотреблен ню сельскохозяйственных культур, испытывался путем сравнения участков: 1) контрольного без мелиораций; 2) осушения с дождеванием; 3) дождевания; 4) подпочвенного двустороннего водорегулировання. Площадь опытных делянок составляла 0,5 га. Верхний слой мощностью до 80 см представлен суглинками, ниже залегает слой мергелистой супеси мощностью 80—140 см, подстилаемый слоем мергеля. Полученные результаты показывают, что при подпочвенном двустороннем регулировании водного режима и сочетании дренажа с дождеванием урожайность и устойчивость его во времени были значительно выше по сравнению с односторонним регулированием водного режима.

Приведем несколько примеров из зарубежной практики осушения тяжелых почв гумидной зоны.

В ВНР Сельскохозяйственный университет в г. Кестхей с 1954 г. проводит исследования комплексных мелиораций псевдоглеевых лесных почв западной части страны. Разработана конструкция комбинированного дренажа, представляющего систему закрытых дрен в сочетании с глубоким рыхлением, кротовым дренажем и известкованием почв. Применение метода правомерно при условии сохранения почвенной структуры, улучшенной в результате указанных мероприятий.

В Великобритании исследована работа кротового и обычного дренажа на тяжелых глинистых почвах с низкими фильтрационными свойствами. Постоянные дрены на выбранном участке укладывались с расстояниями 40—60 м, а кротовые нарезались перпендикулярно к ним, через каждые 2—3 м, что обеспечило нужный мелиоративный эффект.

В ГДР изучался кротовый дренаж в сочетании с дренами из пластмассы. Работы проводились на низинном торфянике мощностью 0,9—1,3 м. Средняя глубина закладки дрен 0,65 м, расстояния между дренами для кротового дренажа 4,6 и 8 м, для пластмассовых дрен 4,8 и 12 м. Через 2,5 года эксплуатации только в 4 из 12 случаев было установлено заиление кротовых дрен. Экономические расчеты показали целесообразность применения в данных природных условиях кротового дренажа с глубиной закладки дрен не менее 70 см и расстоянием между ними 4—6 м.

В Японии испытывались различные способы осушения заболоченных почв в приморских районах. На основе полевых исследований эффективности различных систем дренажа установлено, что наиболее эффективны комбинированные системы кротового н трубчатого закрытого дренажа.

По вопросу о методах осушения торфяников существуют различные мнения. Так, в южных районах провинции Онтарио (Канада) имеется около 4 тыс. км2 торфяников, которые при осушении дают осадку до 60 см. До последнего времени применялся в основном открытый горизонтальный дренаж в виде канав с вертикальными стенками. В настоящее время внедряется закрытый дренаж из керамических труб диаметром 132 мм с глубиной заложения 1,2 м.

Способы осушения лугов, расположенных на низинных торфяниках, весьма разнообразны. Основным недостатком осушения с помощью открытых канав являются затруднения с механизацией полевых работ и исключение части земель из сельскохозяйственного оборота. Наиболее пригодным и широко применяемым на низинных торфяниках в ГДР и ФРГ является кротовый дренаж, работающий без разрушения более пяти лет.

Значение детального учета литологического состава верхних горизонтов отложений и почвенного покрова для выбора способов и методов осушения земель можно проиллюстрировать следующими примерами.

В СФРЮ исследовалась оптимальная глубина заложения дрен и расстояния между ними в зависимости от литологии осушаемых грунтов. В результате исследований установлена необходимость учета при дренировании заболоченных земель степени разложения торфяников.

В CPP водный режим почв опытных участков изучался в условиях равнины Бырса. По данным И. Стансю еще на 1965 г. закрытый дренаж керамическими или бетонными трубами, а также фашинами давал лучшие результаты, чем дренаж открытыми канавами. Уровень грунтовых вод в зоне, дренируемой открытыми каналами, на 10—50 см выше, чем в зоне, дренируемой закрытой сетью. При наличии глинистых и суглинистых почв расход открытого дренажа составляет 0,8—1 л/с с 1 га. Наиболее высокая урожайность озимой пшеницы обеспечивается при применении закрытого дренажа с помощью бетонных труб, уложенных на глубине 1,5 м на расстоянии 15—22 м или на глубине 1 м на расстоянии 7,5—15 м друг от друга.

Осушительные мелиорации вызывают ряд геологических процессов, которые следует предусматривать. К числу их относится оседание поверхности торфяников, изменение водопроницаемости грунтов, снижение уровня грунтовых вод на прилегающих землях и т. д. Так, в западной части Нидерландов после осушения значительных площадей торфяных почв за 700 лет поверхность почвы опустилась на несколько метров.

По данным Р. Эггельсмана, на всех дренированных торфяниках в ФРГ, Канаде, Скандинавии и в других странах наблюдается изменение их водопроницаемости вследствие изменения объема макропор и оседания поверхности. При этом установлена зависимость изменений водопроницаемости от вида торфяников, степени разложения торфа, от интенсивности и продолжительности осушения. Наибольшая проницаемость у тростникового, наименьшая — у сфагнового торфа. После осушения торфяников проницаемость вначале уменьшается весьма быстро, а затем стабилизируется.

Детальные исследования влияния осушения на водный баланс болот ведутся в Финляндии, где торфяники занимают площадь 10 млн. га, или около 10% площади торфяников мира. По данным С. Мустонена и П. Сеуне до мелиорации грунтовые воды находились близко к поверхности земли в течение всего года. В результате осушения уровень их снизился в среднем на 30 см. Это привело к коренным изменениям в условиях увлажнения почвы, особенно в середине лета, в период, когда потенциальное суммарное испарение максимально. Результатом снижения уровня грунтовых вод явилось также исчезновение растительности открытых болот и значительное уменьшение транспирации. Кроме того, уменьшилось испарение в бездождевые периоды. На торфяниках, покрытых лесом, где транспирация продолжалась и после осушения болот, водный режим почв становился более благоприятным для роста деревьев. Наблюдениями установлено, что мелиорация значительно изменяет гидрогеологические условия заболоченных территорий, покрытых лесом. Испарение уменьшается в связи со снижением уровня грунтовых вод. Транспирация повышается по мере развития древостоя. В результате суммарное испарение резко снижается сразу после осушения, но позднее может даже превышать величину, характерную для периода, предшествующего осушению.

В табл. 11 приводится структура годового водного баланса до и после осушения торфяников, покрытых лесом в Финляндии (в % от количества атмосферных осадков).

Эти данные представляют определенный интерес для проектирования мероприятий по осушению лесов в нашей стране, где заболоченные площади, покрытые лесами, превышают 228 млн. га, что составляет около 20% общей площади всех лесов страны. Приведенные выше данные об изменениях водного баланса могут быть использованы для прогноза влияния мелиораций на поверхностный и подземный сток.

При осушении земель огромное значение приобретают мероприятия по охране окружающей среды. В ГДР, в частности, водоемы и топи охраняются законом как природные заповедники и памятники и служат прежде всего учебными и исследовательскими объектами.