Мелиорация почв. 3 Мелиорация избыточно увлажненных почв: осушительные мелиорации (Т. С. Шорина, 2012)

3.1 Понятие осушительной мелиорации

Осушительные мелиорации начали проводить еще в глубокой древности: в течение ряда тысячелетий население Египта, Бирмы, Индии, Вьетнама, Китая сооружало в долинах крупных рек дамбы для защиты пойм от наводнений. Греческий историк Геродот более 2000 лет назад описал одну из первых дренажных систем в долине Нила. Дренаж как мелиоративное мероприятие получил широкое распространение в античный период в Греции. Позднее римский писатель Катон (I в. до н.э.) в трактате «О земледелии» описал открытые дренажные системы, применявшиеся в Древнем Риме для осушения почв на виноградниках и оливковых плантациях. Многие из этих систем действуют до настоящего времени. В Х в. в Европе начались работы по устройству осушительных систем в бассейне Северного моря. Особенно интенсивными они были в XII – XIV вв. Осушались крупные болота, приморские низменности, дельты рек, приозерные понижения.

В Англии в 1252 г. при короле Генрихе III был принят первый закон об осушении сельскохозяйственных земель, который стал основой для развития мелиорации в последующие столетия. Первая система закрытого дренажа в Европе была построена, по-видимому, в этой стране при Генрихе V в конце XV в.

Интенсивное развитие работ по осушению в России первоначально было связано с деятельностью Петра I. Он предпринял осушение болот в связи с освоением побережья Финского залива, строительством Петербурга и других городов, крепостей, заводов. Действие открытых осушительных систем было описано М.В. Ломоносовым в работе «Лифляндская экономика» (1738). В конце XVIII в. А.Т. Болотов разработал вопросы осушения северных районов России. Однако в послепетровский период до второй половины XIX в. работы в области осушения почв в России велись в весьма ограниченных масштабах. Отмена крепостного права и бурное развитие капитализма явились движущим фактором мелиорации почв.

Осушительные мелиорации один из основных путей повышения урожайности сельскохозяйственных угодий, занимающих на планете 10 % площади суши. Шестая часть этих земель мелиорирована, и с них получают от 40 % до 50 % всех производимых сельскохозяйственных продуктов.

Осушение (дренаж) играет важную роль в создании транспортных коммуникаций, зданий промышленного и гражданского назначения, спортивных сооружений, аэродромов и др.

Объектом осушительных мелиораций являются заболоченные и болотные почвы. При их мелиорации устраняется вымокание и заболевание растений, создаются благоприятные условия для механизации и обработки полей, повышает производительность труда. Очень часто мелиорация оказывается не только основным звеном сельскохозяйственного и лесохозяйственного производства, но необходимым условием оптимизации жизни человека в условиях гумидных ландшафтов.

3.2 Конструкция осушительной системы

Метод осушения, то есть принципиальную направленность мелиоративных мероприятий определяют причины заболачивания почв. Так, при заболачивании почв грунтовыми водами метод осушения будет заключаться в понижении уровня грунтовых вод; при заболачивании намывными склоновыми водами принципиальная направленность заключается в перехвате этих вод и в ускорении их сброса за пределы осушаемой территории. При заболачивании почв намывными русловыми водами метод осушения заключается в защите территорий от затопления намывными русловыми водами и т.д. Если заболачивание почв связано с одновременным действием разных факторов, то и методы осушения в этом случае могут приобретать более сложный характер.

Осушительная система является комплексом сооружений, необходимых для удаления избыточной гравитационной влаги из горизонтов почвенного профиля. Правильно построенная осушительная система должна обеспечить: оптимальный водно-воздушный режим в зоне расположения корневых систем растений и возможность (свободного) доступного его регулирования; возможность проведения ранних сроков посевных работ; доступность использования разнообразной сельскохозяйственной техники и возможность перевозки урожая с осушенной территории. Обычно осушительная система состоит из следующих составных частей (элементов) – рисунок 3.1:

1) осушаемой территории;

2) ограждающей сети;

3) регулирующей сети осушителей или дренажа;

4) проводящей коллекторной сети;

5) магистрального канала;

6) водоприемника;

7) сооружений на осушительной сети.

Применение всех или отдельных элементов ограждающей сети обусловлено причинами заболачивания почв осушаемого объекта. К элементам ограждающей сети относятся дамбы, защитные валы, нагорные и ловчие каналы.

Проводящая коллекторная сеть собирает воду из регулирующей сети осушителей и транспортирует ее в магистральный канал. Эта сеть играет в основном водопроводную роль. Она представлена открытыми каналами или материальными закрытыми трубопроводами из пластмассовых, керамических и иных материалов. Осушители впадают в коллекторы второго порядка. Из этих коллекторов вода перетекает в коллекторы (собиратели) первого порядка и наконец поступает в магистральный канал осушительной системы.

1 – река-водоприемник, 2 – магистральный канал, 3 – открытый коллектор, 4 – открытые осушители, 5 – ловчий канал, 6 – закрытый коллектор, 7 – дрены, 8 – путевая дорога, 9 – труба-переезд, 10 – устьевое сооружение, 11 – смотровой колодец, 12 – нагорный канал, 13 – ловчий канал, 14 – оградительная дамба.

Рисунок 3.1 – Элементы осушительной системы

Сеть осушителей или дренаж (английское drain – дренировать, осушать) – это система подземных дрен (труб, щелей, ходов в грунте), а также открытых каналов для отвода воды из почвы. Закрытый дренаж способствует повышению использования земли, ликвидации очагов размножения сорняков, улучшению условий механизации работ. Этот вид осушения более долговечный, вызывает меньше затрат на построение переходов и на ремонт открытой системы, способствует повышению плодородия почвы, культуры земледелия, росту производительности труда и снижению себестоимости продукции (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Закрытый дренаж

Водоприемником называют водоем или водоток, в который поступают воды дренажного и поверхностного стоков из магистрального канала или из магистрального коллектора. Водоприемником могут служить река, озеро, естественный тальвег или иные водотоки. В водоприемнике должен быть сохранен или обеспечен режим, исключающий застой водных масс и ухудшение качества воды в результате сброса дренажных вод.

В зависимости от конкретных условий для мелиорации заболоченных почв могут использоваться различные виды осушительных систем, обычно обладающие всеми или частью перечисленных выше составных частей. В районах с периодическим затоплением, сменяющимся иссушением территории используются системы с двусторонним регулированием водного режима или осушительноувлажнительные системы (рисунок 3.3.)

А – луга, Б – кормовой севооборот, В – овощной севооборот; 1, 2 – отверстия в дамбе обвалования для регулирования затопления поймы паводковыми водами, 3 – оросительная насосная станция, 4 – осушительная насосная станция, 5 – шлюз на реке, 6 – водохранилище на притоке, 7 – магистральный осушительный канал, 8 – коллекторы, 9 – нагорные каналы (они же водоподводящие каналы для увлажнения), 10 – дрены, 11 – открытые собиратели, 12 – дамба обвалования. Луга осушены системой открытых собирателей, площади под севооборотами – дренажем. Во время весеннего половодья пойма затопляется через отверстия 1, 2 на заданный срок; избыток воды сбрасывается самотёком или откачивается насосной станцией. Увлажнение лугов проводится при весеннем затоплении, земель овощного севооборота – дождеванием, кормовых – подпочвенным увлажнением по дренам. Вода для орошения может забираться из реки выше шлюза 5, из водохранилища на притоке и насосной станцией 3. Стрелки показывают направление движения воды.

Рисунок 3.3. – Схема осушительно-увлажнительной системы в пойме реки

Дренаж почв на орошаемых массивах необходим для удаления избытка влаги и солей, поддержания грунтовых вод на уровне, исключающем вторичное засоление. Дренажная сеть на орошаемом массиве обеспечивает возможность стабильной и эффективной эксплуатации мелиорированных земель. В настоящее время накоплены данные, подтверждающие высокую эффективность этого мероприятия. Коллекторно-дренажная сеть на орошаемом массиве – это специальный комплекс гидротехнических сооружений, состоящий из дрен, коллекторов, насосных станций, обеспечивающих сбор и отвод с орошаемых массивов грунтовых вод.

Осушительные системы существенно различаются по своим принципиальным конструктивным особенностям. Эти отличия определяются гидрологическими условиями и характером водоприемника, генезисом и составом почв, почвообразующих пород, причинами заболачивания и другими факторами.

1 По принципиальным конструктивным особенностям и характеру поступления воды в водоприемник осушительные системы делят на системы самотечные и польдерные.

Самотечные осушительные системы позволяют отводить с дренируемой территории избыточную влагу только под влиянием гравитационных сил, самотеком. Движение воды осуществляется за счет уклона дренажных и коллекторных линий в магистральный канал и затем в водоприемник.

Польдерные осушительные системы, приуроченные к морским побережьям, крупным дельтам или к поймам, обычно строят в таких условиях, когда уровень воды в водоприемнике находится выше или на гипсометрической отметке осушаемого массива. Поэтому вода осушительной системы не может самотеком быть сброшена в водоприемник. С этой целью вся осушаемая территория обваловывается, на дамбе строят насосную станцию, которая перекачивает воду в задамбовую зону в водоприемник из подводящего магистрального канала. Польдерные системы могут быть незатапливаемыми (зимние польдеры) или затапливаемыми (летние польдеры). Различают польдеры морские и речные, в зависимости от их приуроченности к поймам и дельтам или к морскому побережью. Польдерные системы, обеспечивающие двустороннюю перекачку воды (из подводящего магистрального канала в водоприемник и из водоприемника в сухой период в проводящую сеть осушительной системы на территорию польдера) позволяют эффективно осуществлять двустороннее регулирование водного режима. Польдерные системы в определенных условиях являются более экологичными, чем самотечные. Они исключают необходимость регулирования водоприемника (реки), его выпрямления и углубления русла и, как следствие, общего понижения базиса эрозии и уровней грунтовых вод всего мелиорируемого ландшафта.

2 По отношению регулирующей сети осушителей к уклону поверхности осушительные системы делят на продольные и поперечные. При продольном расположении регулирующая сеть осушителей укладывается нормально к горизонталям; при поперечном – вдоль горизонталей или под небольшим углом к ним поперек склона.

3 По расположению регулирующей сети осушителей в плане в зависимости от структуры почвенного покрова применяют систематический или выборочный дренаж. Систематический дренаж необходим на массивах, образованных только заболоченными и болотными почвами. В этом случае весь осушаемый массив покрывают систематической сетью дрен (каналов).

Выборочный дренаж применяют при сложной структуре почвенною покрова, в состав которого входят как автоморфные и гидроморфные незаболоченные почвы, так и заболоченные (например, сочетание дерновоподзолистых неоглеенных и глубокооглеенных почв, не нуждающихся в осушении при любом использовании, и сильнозаболоченных дерново-подзолистых глеевых и торфянисто-глеевых почв, осушение которых необходимо при любом сельскохозяйственном использовании). В этом случае регулирующая сеть осушителей приурочена только к контурам собственно заболоченных почв, тогда как на территории, образованной незаболоченными почвами, проходит лишь проводящая сеть.

4 По сочетанию (или отсутствию сочетания) комплекса гидротехнических и агромелиоративных мероприятий по организации поверхностного и внутрипочвенного стока осушительные системы делят на комбинированные и некомбинированные.

Комбинированные осушительные системы применяют на почвах с низкими значениями коэффициента фильтрации подпахотного горизонта (Кф < 0,1 – 0,3 м/сут). В этом случае наряду с закрытым дренажем или открытой сетью каналов предусматривают выполнение мероприятий по организации поверхностного и внутрипочвенного стоков.

3.3 Виды дренажа

По характеру расположения дренаж может быть вертикальным и горизонтальным.

Система вертикального дренажа обеспечивает понижение уровня грунтовых вод путем их механической откачки из скважин (рисунок 3.4). Она представляет собой сложное сооружение, состоящее из водозабора (система глубоких скважин, оборудованных фильтрами) с гидротехническим оборудованием и наземного комплекса. В состав последнего входят энергетическое хозяйство (высоковольтная линия электропередач, трансформаторная подстанция, низковольтная линия, пусковая аппаратура, электрооборудование), средства автоматики, телемеханики и связи, водоприемные сооружения и водоотводящая сеть, эксплуатационные дороги. Вертикальный дренаж орошаемых земель – сравнительно новый способ понижения уровня грунтовых вод. Он был впервые применен в США в 20-х годах для дренажа и орошения сельскохозяйственных земель штата Аризона. В этот период была построена система вертикального дренажа из 159 скважин, которая обслуживала площадь 21 000 га. В нашей стране первая скважина вертикального дренажа на орошаемых землях была построена в 1928 г. в Голодной степи Н.В. Макридиным и М.М. Решеткиным.

1 – водоносный горизонт; 2 – водоупор; 3 – депрессионная кривая; 4 – обсадные трубы, насос, фильтр.

Рисунок 3.4 – Схема действия вертикального дренажа

Вертикальный дренаж позволяет активно регулировать уровень грунтовых вод на объекте, он занимает небольшую площадь, не препятствует механизации сельскохозяйственных работ, позволяет использовать неминерализованные грунтовые воды для орошения. В среднем одна скважина вертикального дренажа может обслуживать площадь от 50 до 100 га, а ее дебит колеблется в интервале от 30 до 200 л/с. К недостаткам вертикального дренажа следует отнести высокие эксплуатационные затраты, потребность в электроэнергии и качественных фильтрах.

Вертикальный дренаж применяют для решения трех основных задач:

1) для водоподъема на орошение пресных напорных подземных вод с одновременным рассолением почв;

2) для предотвращения подъема минерализованных грунтовых вод на землях нового орошения;

3) при замене минерализованных грунтовых вод пресными.

Наиболее благоприятные результаты при применении вертикального дренажа получены в хорошо водопроницаемых почвогрунтовых толщах с высоким дебитом скважин.

Система горизонтального дренажа представляет собой совокупность горизонтальных дрен и коллекторов с гидротехническими сооружениями, предназначенными для дренирования орошаемой территории (рисунок 3.5).

1 – дренажная труба; 2 – гравийная обсыпка; 3 – слой песка (второй слой); 4 – отверстия в дренажной трубе.

Рисунок 3.5 – Схема горизонтального дренажа

Дрены принимают и отводят грунтовые воды непосредственно с мелиорируемой территории, а коллекторы транспортируют их в водоприемник. Если самотечный отвод дренажных вод с орошаемой территории невозможен, предусматривают водоподъем с помощью дренажной насосной станции. Коллекторную сеть дренажной системы располагают по наиболее пониженным элементам рельефа с учетом границ хозяйств, севооборотов и других факторов. Расчетный расход открытых главных коллекторов должен предусматривать пропуск паводковых расходов 10 %-й обеспеченности с учетом дренажных сбросных расходов. Закрытые горизонтальные дрены могут быть керамическими, железобетонными, керамзитобетонными, полиэтиленовыми, асбестоцементными. Для защиты труб от заиления при строительстве применяют траншейные фильтры из песка, гравия и других материалов.

Осушители на мелиоративных осушительных системах имеют различную конструкцию, форму, изготавливаются из разных материалов. Их виды, используемые в настоящее время в производстве, показаны на рисунке 3.6. Из схемы видно, что горизонтальные осушители делятся на открытые и закрытые.

Открытый дренаж. Осушительные каналы на мелиоративных системах устраивают всегда в выемке. Параметры осушительных каналов связаны с хозяйственным использованием осушенных земель. На лугах и пастбищах глубину каналов принимают равной от 0,8 до 1,0 м, на полевых угодьях – от 1,0 до 1,2 м, в садах – от 1,2 до 1,4 м. Длина каналов составляет от 600 до 1200 м, уклон дна – от 0,0005 до 0,005 м. Ложбины – распластанные каналы глубиной от 0,3 до 0,6 м с коэффициентом откосов 5,6. Ложбины служат для отвода поверхностных вод. Они применяются в условиях поверхностного заболачивания на тяжелых, плоховодопроницаемых почвах. В условиях грунтового заболачивания использование ложбин для создания регулирующей сети осушителей неэффективно.

Закрытый дренаж подразделяется на траншейный и бестраншейный. К траншейному дренажу относятся гончарный, пластмассовый, деревянный, каменный, гравийный, фашинный и другие, а к бестраншейному – кротовый и щелевой.

Траншейный дренаж чаще всего применяется для осушения избыточно увлажненных минеральных почв. Наиболее известными и более распространенными являются гончарный, а также пластмассовый дренажи. В лесной местности и на торфяниках применяется деревянный дренаж из досок, жердин, фашин – связанных проволокой пучков хвороста (мелких ветвей или тальника) диаметром от 20 см до 30 см. При сооружении траншейного дренажа прокладывают траншею, в которую укладывают гончарные или другие дрены на соответствующую глубину. С учетом наибольшей массы расположения корневых систем растений в почве глубина расположения дрен зависит также от глубины промерзания почвы и грунта.

Рисунок 3.6 – Виды осушителей (Ф.Р. Зайдельман, 2003)

Бестраншейный дренаж также применяется преимущественно для осушения глубоких торфянищ и тяжелых по механическому составу минеральных почв.

Кротовый дренаж – это система кротовин, трубоподобных отверстий диаметром от 6 до 10 см, проделываемых специальным орудием на глубине от 40 до 70 см. Рабочими органами этого орудия, называемого плугом, служат ножи и дренер – стальной заостренный спереди цилиндр с увеличенным диаметром на его конце. На корпусе плуга укрепляется нож, который образует щель, а дренер, прикрепленный тросом к нижней части ножа на необходимой глубине, при движении орудия образует дрену (кротовину) с уплотненными стенками. Образование дрен начинается с открытого канала, в который впоследствии будет стекать из них вода (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Конструкция различных типов дрен

Биологический дренаж – способ осушения, основанный на применении для осушения почв растений, обладающих высокой транспирационной способностью. Впервые такой способ был применен в Колхиде в начале 30-х годов. В качестве растения-осушителя был использован эвкалипт. Этот способ, однако, не получил широкого распространения в мелиоративной практике.

3.4 Причины заболачивания почв