Режимно-балансовые исследования при прогнозировании водно-солевого режима орошаемых почв

УДК 631.4

РЕЖИМНО-БАЛАНСОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ

Э.Т. Пягай

Проблема прогнозирования мелиоративных ситуаций на орошаемых или осушаемых землях является одной из важнейших задач современного земледелия. Ее решением занимаются специалисты самых разных профилей: от биологов до математиков. Однако наибольших успехов в практическом использовании современных достижений в области моделирования природных процессов, протекающих в системе «подземные воды-почва-растение-атмосфера», для решения прогнозных задач достигли гидрологи, гидрофизики и мелиораторы.

В данной статье рассматривается один из частных вопросов, связанных с прогнозированием, а именно организация и методика проведения режимно-балансовых исследований при прогнозировании водно-солевого режима орошаемых почв.

Современные требования к оптимизации мелиоративного режима почв аридной зоны предусматривают решение широкого круга задач, связанных как с регулированием, так и прогнозированием их водно-солевого режима (ВСР), что вызвано, в частности, подъемом уровня (обычно минерализованных) грунтовых вод. Решение таких задач воз-можнолишь при наличии всех количественных составляющих влаго- и солеобмена в системе грунтовые воды-почва-растения-атмосфера. Это обусловлено тем, что в районах с засушливым климатом при близких грунтовых водах формирование ВСР почв происходит сложным образом и не поддается простой схематизации (идеализации). Вместе с тем, анализ результатов балансовых исследований на орошаемых землях показал, что многообразие факторов, оказывающих влияние на ВСР, обусловливает не только различия, но и некоторое их единообразие. Так, данные по инфильтрационному питанию грунтовых вод на орошаемых массивах, получаемые в различных регионах страны, свидетельствуют о том, что несмотря на существенные различия в климатических, геолого-гидрологических и почвенно-мелиоративных условиях, а также гидрофизических свойствах почв, режима их увлажнения (поливов) и других отношение величины инфильтрации влаги к оросительной норме меняется незначительно. При этом независимо от режима влагопереноса в почвенно-грунтовой толще (ПГТ) (при большой ее мощности) выделяются три зоны: зона сезонных колебаний влажности почвы, обусловленных сменой процессов увлажнения-сушки, зона постоянных значений влажности и зона капиллярной каймы, положение

которой меняется в зависимости от подъема или спада уровня грунтовых вод. Для случая, когда интенсивность инфильтрации почвенной влаги (и) связана с всасывающим движением (Р) соотношением вида (Пягай, Гушин, 1988).

¥ = -1/р 1п [и/к

установившийся режим влагопереноса возможен при значениях I >3. Тогда выражение (1) примет вид

¥ = 1/р 1п и/к,

из чего следует, что профиль влажности в ПГТ зоны аэрации остается неизменным.

При близком залегании грунтовых вод, когда в зоне аэрации формируются в основном нестационарные потоки, охарактеризовать водный и солевой режимы почв можно лишь на основе режимно-балансовых исследований, позволяющие

- контролировать направление движения потока влаги и солей в ПГТ;

- оценить интенсивность влаго- и солеобмена в ПГТ в поливной и межполивной период;

- определить водный и солевой баланс корнеобитаемого слоя почвы и нижележащей почвенно-грунтовой толщи за расчетный промежуток времени;

- установить динамику насыщения межбороздкового пространства почвы при сосредоточенном (по бороздам) поливе в зависимости от нормы орошения;

- определить параметры миграции влаги и солей в ПГТ;

- установить особенности и закономерности формирования режима влаго- и солепереноса в ПГТ с учетом влияния различных природных и мелиоративных факторов;

- оценить динамику насыщения (д°) почвогрунтов при подъеме и водоотдачи (д0) при спаде уровня грунтовых вод и др.

Для случая, когда кривая водоудерживающей способности почвы аппроксимируется экспоненциальной зависимостью, расчетная формула недостатка насыщения (д°) с учетом (1) примет вид

д° =

Анализ этой зависимости показывает, что д° есть величина переменная и в зависимости от скорости влагопереноса и положения уровня грунтовых вод может изменяться в достаточно широких пределах. По мере возрастания и значение д° уменьшается и, наоборот, возрастает при уменьшении и; такая же особенность уменьшения (увеличения) наблюдается и в динамике водоотдачи (до) при снижении (повышении) уровня грунтовых вод. Принимать значения д° (или до ) постоянным можно лишь при длительных и однонаправленных изменениях (подъеме

или спаде) уровня грунтовых вод. На орошаемых массивах эти условия соблюдаются, по-видимому, в почвах лишь автоморфного ряда, где мощность ПГТ, обусловливающую эту аэрацию, в несколько раз превышает полный профиль капиллярной каймы.

Для изучения режимов и процессов, протекающих в ПГТ, а также оценки параметров миграции почвенного раствора в настоящее время используется множество различных экспериментальных и расчетных методов. Однако их некоторая разобщенность, обусловленная различиями подходов к изучению ВСР орошаемых земель, делает сложным, а в ряде случаев и невозможным, решение оптимизационных и прогнозных задач. В связи с этим предлагается целостная система расчетно-экспериментальных методов изучения ВСР орошаемых почв, обеспечивающая проведение режимно-балансовых исследований, которые сами по себе являются комплексными и универсальными в плане информативности полученных данных. При наличии базовых (режимно-балансовых) материалов представляется возможным широкое использование математического моделирования как важнейшего метода научного познания мелиоративных режимов и процессов, протекающих в ПГТ, без проведения дорогостоящих, а в ряде случаев и невозможных натурных экспериментов. Для этого режимно-балансовые исследования дополняются гидрофизическими и гидрохимическими исследованиями, основанными на теории влаго- и солепереноса в пористых средах (поч-вогрунтах). Не останавливаясь на традиционных режимных и балансовых исследованиях, поскольку они достаточно подробно изложены в научной литературе, рассмотрим лишь методику гидрофизических и гидрохимических исследований на ключевых участках или опытных площадках (гидрофизических точках), оборудованных лизиметрами (или гидрофизическими шурфами), пьезометрами и гидрометеорологическими приборами для измерения, в частности, скорости ветра, температуры и влажности воздуха.

В практике мелиорации обычно лизиметрические наблюдения проводятся при постоянном уровне воды в этих установках, что значительно снижает ценность исследований. Вместе с тем, в реальных условиях, соответствующих эксплуатационному периоду освоения земель, когда роль грунтовых вод в формировании водно-солевого баланса почв весьма значительна, учет дренированности территории представляется обязательным. Для этого используется лизиметр, оборудованный сливным устройством, на котором устанавливается дополнительное сопротивление, эквивалентное фильтрационному сопротивлению потока с расчетом на сечение или на междренье. При таком подходе результаты исследования ВСР почв в лизиметрах могут быть приурочены к опреде-

ленным участкам на междренье, что позволит оценить эффективность различных вариантов дренажа.

В автоморфных почвах изучение их ВСР должно проводиться в глубоких лизиметрах (5 м и более). При отсутствии в них слива ведется моделирование скорости подъема уровня грунтовых вод при различных режимах орошения и определение параметра (коэффициента) д°, характеризующего недостаток насыщения. Кроме оценки инфильтрационного питания и коэффициента насыщения почвогрунтов, в этих лизиметрах можно исследовать процессы влаго- и солепереноса при орошении и промывках. При наличии сливного устройства положение уровня воды в лизиметре (напор) задается через дополнительное сопротивление, значение которого определяется параметрами дренажа и свойствами поч-вогрунтов. Рассчитать фильтрационное сопротивление горизонтального дренажа можно по известной зависимости

Ф = Ь/8Т + Ь°/Т + т/Кот2,

где Ь - междренное расстояние; Ь° - сопротивление несовершенства дренажа; Т - проводимость водоносного горизонта; т и К - мощность и коэффициент фильтрации слабопроницаемого слоя; г - радиус лизиметра); для расчета Ф вертикального дренажа можно ограничиться рассмотрением лишь последнего члена

Ф = т/Кга-2.

По этой зависимости моделируемый напор в лизиметре соответствует напору в водоносном горизонте. Задавая экспериментально различные его значения, отыскивается наиболее благоприятный ВСР почв и условия работы вертикальных дренажных скважин. При этом следует иметь в виду, что высота лизиметра и моделируемый в нем напор должны быть обоснованы соответствующими исследованиями и расчетами.

Кроме лизиметрических экспериментов, на ключевых участках должны быть организованы наблюдения за гидрометеорологическими параметрами, испарением почвенной влаги, режимом грунтовых вод и влажности почвогрунтов, динамикой засоления и состава порового раствора. Рассмотрим более подробно методику изучения лишь ВСР почвогрунтов, поскольку другие наблюдения достаточно полно изложены во многих методических руководствах и указаниях.

Изучение процессов влаго- и солепереноса в ПГТ целесообразно проводить на специальных опытных площадках (гидрофизических точках), оборудованных радиометрической скважиной с заглушкой снизу, пьезометром, тензиометрами, датчиками для измерения температуры почвы и отбора порового раствора. Их установка в приповерхностном слое почвы проводится с интервалом по глубине 20-30 см, а в зоне постоянной влажности и в капиллярной кайме - через 50-100 см в зависимости от литологического строения ПГТ. В периоды, когда почва промерзает,

тензиометрические наблюдения можно проводить лишь при их заправке незамерзающей жидкостью.

Для установки тензиометров, термометров и датчиков для определения концентрации (или отбора) порового раствора целесообразно использовать шурфы длительного пользования. На орошаемых землях, когда уровень грунтовых вод залегает на глубине до 10 м, закладывается шурф до воды и даже на 1.5-2 м ниже. Затем колодец-шурф снизу и с боков армируется водонепроницаемым материалом (асбестобетонные кольца, металлическая труба и др.); затрубное пространство или щель между каркасами и стенкой шурфа тампонируется глинистым или цементным раствором. Зонд для отбора порового раствора (или ионселективного электрода), тензиометры и термометры в почву устанавливаются через отверстия в стенке каркаса шурфа-колодца; аналогичным образом фиксируются эти приборы и датчики в лизиметрах (Пягай, Хаматов, 1991).

Для измерения влажности почвогрунтов предлагается использовать термостатно-весовой и радиометрический методы; во втором случае удобно пользоваться серийными влагомерами НИВ-2 или ВПГР-2. При этом следует иметь в виду, что между радиометрической скважиной и обсадной трубой не должно быть зазора. При тщательной тарировке прибора нейтронный способ дает удовлетворительную точность в определении влажности почвы.

Наблюдение за всасывающим давлением проводится с помощью тен-зиометра, который состоит из зонда (пористого фильтра), соединительной системы, воздухоулавливателя и манометра; в рабочем состоянии вся система, заполненная водой, должна быть герметрична.

В качестве пористого фильтра могут быть использованы полый керамический цилиндр (свеча Чемберлена) или керамическая пластина, приклеенная к стеклянной воронке. Соединение зонда с манометром и воз-духоулавливателем, изготовленным из стекла, проводится с помощью стеклянных, медных, алюминиевых трубок и вакуумного резинового шланга; для измерения отрицательного давления в системе тензиометра можно использовать ртутный (или водяной) манометр различной конструкции и образцовый вакууметр.

Установка тензиометра в почву проводится в следующей последовательности. Вначале в стенки шурфа (или с поверхности почвы) выбуриваются отверстия (диаметром, соответствующим керамическому датчику) под углом 10°-15° в направлении заданной точки (глубины). После этого стенки отверстия смачиваются водой, а затем устанавливается сам датчик, предварительно заполненный водой; операция с увлажнением отверстия и датчика необходима, с одной стороны, для облегчения его сдавливания, а с другой - для обеспечения надежного контакта с почвой. При правильной установке тензиометра вода из пористого фильтра

вытекает в окружающую почву и внутри системы создается разряжение, эквивалентное по величине всасывающему давлению почвы. Переход от разностей ртутных столбов манометра к всасывающему давлению при различных положениях измерительной системы и точки отсчета (нулевого положения) проводится по известным зависимостям. При этом следует иметь в виду, что тензиометрические наблюдения можно проводить только до давления барботирования (проскока воздуха через пористый зонд) тензиометра, соответствующего примерно 80-85 кПа. Время установления равновесия давления в почве и тензиометра определяется проницаемостью керамического датчика, точность измерения достаточно высокая и составляет 0.5-0.7 кПа. В орошаемых почвах влажность даже в корнеобитаемом слое, как правило, не выходит за пределы работы тензиометра, следовательно, его применение для режимных наблюдений за всасывающим давлением в верхней зоне активного иссушения ограничивается в основном поливным периодом; в нижележащей ПГТ тензиометрические измерения можно проводить практически круглогодично. При этом интервал установки тензиометров по глубине ПГТ, а также частота измерения всасывающего давления и влажности почвы определяются задачами исследований. Для изучения ВСР орошаемых почв частота их измерения по глубине может быть дифференцирована. Так, в зоне сезонных колебаний влажности частота измерений меняется от одного раза в сутки сразу после полива до одного раза в 3-5 сут; в зимний период можно ограничиться 2-3 измерениями всасывающего давления и влажности почвы в месяц. Для песчаной ПГТ глубина сезонных колебаний влажности весьма значительна и может составлять десятки метров, для супесчаной толщи - более 5 м, а для ПГТ, сложенной суглинком, - до 3-4 м. В зоне относительно постоянной влажности наблюдения за всасывающим давлением и влажностью почвы можно проводить не чаще одного раза в декаду. В капиллярной кайме эти измерения должны сопровождаться замерами уровня грунтовых вод с частотой примерно 1-2 раза в декаду в поливной период и 2 раза в месяц в неполивной.

Для отбора порового раствора, на основе чего строятся выходные кривые концентрации от времени, и рассчитываются параметры солепе-реноса, целесообразно использовать керамические фильтры (зонды). Их установка в почву проводится аналогичным образом, что и датчиков тензиометров, но с наклоном в противоположную сторону для свободного вытекания раствора из полости зонда.

Отбор пробы из почвы проводится следующим образом. К керамическому фильтру с помощью вакуумного шланга подсоединяется емкость с двумя выходами (колба Бунзена); второй выход соединен с вакуумным насосом. Перед началом каждого опыта вся система, контакти-

рующая с жидкостью, промывается дистиллированной водой. Затем в системе создается разряжение, в результате чего почвенный раствор всасывается вначале в полость зонда, а затем в приемную емкость. Объем пробы для анализа зависит от концентрации раствора; минимальное его количество должно быть порядка 20 мл. Частота отбора порового раствора зависит от гидрофизических и гидрохимических параметров почвы и должна быть конкретизирована по ходу эксперимента. Продолжительность отбора пробы может быть ориентировочно рассчитана по следующей зависимости:

в° =

где в° - скорость потока воды через зонд при разряжении 98.6 кПа; ъ -глубина установки зонда относительно водосборной емкости; Ь - высота капиллярного поднятия; О - относительная влажность почвы. В су-песчано-суглинистых почвах время отбора минимального количества порового раствора обычно не превышает 20-25 мин.

Кроме прямых методов определения концентрации почвенного раствора, в практике мелиорации широкое распространение получили и косвенные, основанные, в частности, на электропроводности.

Однако хорошо известно, что электрическое сопротивление дисперсных почв является сложной функцией их минерального и гранулометрического составов, состава обменных катионов, степени водонасы-щенности и концентрированности поровых растворов, плотности, а также их структурно-текстурных особенностей.

Сложная зависимость электрического сопротивления почвогрунтов (Яп) от многих факторов не позволяет однозначно интерпретировать данные Яп, полученные в точке. Однако для полностью водонасыщен-ных почв и грунтов изменения электрического сопротивления в значительной мере обусловливается изменением концентрации порового раствора при условии постоянства прочих характеристик почвы. Следовательно, в таких почвах использование электрических методов для определения параметров солепереноса вполне возможно.

Для оценки электрометрического метода определения концентрации порового раствора и достоверности интерпретации его результатов необходимо в лизиметре установить керамические фильтры для отбора проб порового раствора и электрометрические зонды.

Следует отметить, что измерение электрических свойств почв и грунтов можно проводить по двух- и четырехэлектродной схемам. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки.

При работе по двухэлектродной схеме обычно используется переменный ток, что позволяет избавиться от поляризации электродов, вносящих ошибки в измерение электрических параметров почвы. В то же время при работе по этой схеме следует опасаться переходных сопро-

тивлений, которые возникают из-за плохого контакта между электродами и почвой. Величины переходных сопротивлений могут достигать столь высоких значений, что о количественной интерпретации результатов не может быть и речи. Поэтому двухэлектродная электрическая измерительная схема, как правило, применяется в полностью насыщенных почвах, где переходные сопротивления либо отсутствуют вовсе, либо пренебрежимо малы.

Применение четырехэлектродной схемы, имеющей питающую и измерительную цепи, позволяет избежать контактных сопротивлений при измерении электрических свойств почвы. Однако использование постоянного тока в этой схеме вызывает некоторую поляризацию электродов, и тем большую, чем выше влажность грунта, что может сказаться на результатах измерений. Вследствие этого определение электрических свойств грунта по четырехэлектродной схеме проводится в ненасыщенных почвогрунтах. Во избежание поляризации электродов измерение R должно проводится переменным током частотой около 1000 Гц; в качестве источника переменного тока можно использовать генератор звуковой частоты; нульинструментом служит микроамперметр. Точность измерений по этой схеме составляет 2-5%. Для определения удельной электропроводности исследуемого почвогрунта применялся зонд, который был изготовлен в виде конусообразного эбонитового стержня длиной 30 см с двумя кольцевыми свинцовыми электродами на тонком конце, расположенными друг от друга на расстоянии 4 см. Чтобы исключить влияние металлической стенки, зонд устанавливался в почву через отверстия в боковой поверхности лизиметра на всю свою длину.

Поскольку электрическое сопротивление почвы представляет собой величину абсолютную, зависящую от геометрии электродов, а поэтому непригодную для сравнения результатов между собой, то гораздо удобнее воспользоваться величиной удельной электропроводности почвы (х), свободной от этих недостатков.

Удельная электропроводность грунта рассчитывается по формуле

X = K°/R°,

где R° = Rn [ 1 + ( t - 18°C ) 0,02], t - температура, при которой определялось электрическое сопротивление почвы Rn; R° - электрическое сопротивление почвы, приведенное к 18°C.; K° - постоянная зонда, определяемая по эталонному раствору KCl 0.01н. концентрации; K° - рассчитывается по формуле

K° = x°RO,

где х° - удельная электропроводность эталонного раствора (табличные данные); Ro - измеренное сопротивление эталонного раствора KCl.

Для определения параметров влагопереноса по данным режимных наблюдений целесообразно на опытных участках организовать масштабные эксперименты по искусственному увлажнению почвенно-

грунтовой толщи. Одним из вариантов опыта является залив микро-, мезо- и макрочеков (обвалованной площадки); размеры чека определяются глубиной опробования почвенно-грунтовой толщи. Налив в такой чек необходимо проводить вблизи или вокруг гидроизолированного шурфа желательно на фоне исследуемого растительного покрова.

На первом этапе такого налива, весьма краткосрочного, определяется динамика водопоглощения с поверхности почвы и коэффициент фильтрации. Впоследствии, после окончания процесса впитывания воды, режимные наблюдения за влажностью, всасывающим давлением, солевой динамикой и температурой почвы используются для определения параметров влаго-, соле- и теплопереносов.

Налив проводится минимум в течение 6 ч, после его прекращения ведется наблюдение за перераспределением влаги в почве по тензиомет-рам, установленным в стенках шурфа, и бурение на влажность почвы. Синхронные наблюдения позволяют построить кривую водоудержания для ветви иссушения. В последствии данные наблюдений за всасывающим давлением и влажностью по глубине ПГТ используются для определения коэффициента влагопроводности (к) Расход влаги (и) через выбранное сечение почвы определяется балансовым методом по эпюрам влажности на два момента времени. При известных и и ¥ коэффициент влагопроводности рассчитывается по формуле

к = ш/

где ¥¿1 и ¥1 - значения всасывающего давления в двух точках почвенного профиля; ъ - расстояние между точками установки тензиометров.

Значения ¥¿1 и ¥1 определяются в зависимости от средней влажности за наблюдаемый период времени. Для нахождения эмпирических параметров аппроксимации кривой влагопроводности почвы целесообразно значения каждой пары К и О нанести на график теоретических кривых влагопроводности, вычерченных в логарифмических координатах. В этих координатах искомые зависимости имеют вид прямых с различным углом наклона. Для нахождения параметров аппроксимации кривой влагопроводности по этому способу теоретические кривые зависимости К от О, вычерченные для удобства на прозрачной бумаге, накладываются на график экспериментальных точек К от О; перемещая по вертикальной оси график К от О1 находим теоретическую кривую, на которую укладываются все экспериментальные точки; по величине смещения определяется предельное значение коэффициента влагопроводно-сти, соответствующее коэффициенту фильтрации, а по наклону кривой - эмпирический параметр аппроксимации кривой К "от О.

Данные полива на опытной площадке можно использовать также для характеристики фильтрационной однородности почвы. Изучение этого

вопроса представляется весьма важным, в особенности в суглинистых, хорошо оструктуренных почвах. Для таких почв характерно наличие макро-пор и трещин, которые оказывают существенное влияние на процессы миграции влаги. Количественным показателем гетерогенности строения почвы И.С. Пашковский

-at -at

V = Vmax e + k

где Vmax - максимальная скорость впитывания на начало налива; k -коэффициент фильтрации; t - время налива; а - эмпирический параметр аппроксимации кривой впитывания. Представим это уравнение в виде

V = (Vmax-k ) e-at + k, (11) из которого следует, что определить a можно по графику зависимости ln(V - k) от t. Этот график, имеющий вид прямой, отсекает на оси ординат величину ln(Vmax - k), характеризующую скорость насыщения почвы до полной влагоемкости; угол наклона ln(V - k) от t соответствует 1/т.

Кроме этих специальных экспериментальных исследований, на ключевых балансовых участках должны быть организованы наблюдения за метеорологическими параметрами приземного слоя воздуха:

- динамикой колебания уровня и минерализации грунтовых вод по режимной сети скважин;

- дренажным стоком и его минерализацией;

- расходом воды на орошение и промывку;

- температурным режимом почвы;

- динамикой роста и развития растений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: Пашковский И.С. Методы определения инфильтрационного питания по расчетам влагопереноса в зоне аэрации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1973. 119 с.

Пягай Э.Т., Гущин В.П. Определение гидрофизических параметров почв и их достоверность. //Актуальные вопросы агрономического почвоведения. Науч. тр. ТСХА. М., 1988. С. 28-37.

Пягай Э.Т., Хатамов А.А. Оптимизация режима орошения хлопчатника. Ашхабад: Ылым, 1991. 154 с.

Пягай Э.Т., Эм Ги-Чель. Методика прогноза водно-солевого режима орошаемых почв аридной зоны. М.: Изд-во РУДН, 1998. 394 с.