Природные факторы и приемы осушения

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ И ПРИЕМЫ ОСУШЕНИЯ

Е.Д. САБО

гранулометрический состав почв, степень увлажнения, наличие почвенного воздуха, кислорода в нем и другие факторы. О большом значении корней говорит и такой факт, как развитие целой отрасли науки, называемой корневедением. Один из известных представителей этой науки, М.И. Калинин [1], подробно рассматривает особенности формирования корневых систем древесных растений в различных почвенно-гидрологических условиях.

В оптимальных почвенно-гидрологических условиях (например, свежие дерновые почвы на супесях для сосны) корневая система формируется в соответствии с биологическими особенностями древесной породы. На примере сосны обыкновенной в соответствии с особенностями возрастной динамики роста корней М.И. Калинин выделяет следующие возрастные периоды формирования корневых систем.

В возрасте 1-8 лет наблюдается интенсивный рост в длину горизонтальных корней 1-го порядка.

В возрасте 9-25 лет наблюдается интенсивный рост горизонтальных и стержневых корней. В начале периода отмечается интенсивное ветвление горизонтальных корней 1-го порядка, формируются вертикальные ответвления от горизонтальных корней.

Таблица 1

Типы водного питания и методы осушения

Тип водного питания Метод осушения

основной дополнительный

Атмосферный Ускорение поверхностного стока Повышение инфильтрационной и аккумулирующей способности почв

Грунтовый Понижение уровня грунтовых вод (ускорение внутреннего стока) Перехват потока грунтовых вод, уменьшение их притока

Грунтово-напорный Понижение пьезометрических уровней и уровней грунтовых вод на объекте Понижение пьезометрических уровней за пределами объекта осушения

Склоновый Перехват на границе объекта склонового поверхностного стока Уменьшение притока поверхностных вод со стороны

Намывной Ускорение руслового паводкового стока, защита территории от затопления Разгрузка реки (озера) системой мероприятий по регулированию и перераспределению стока

Смешанный По преобладающему типу По преобладающему типу

Тип водного питания относится к основным природным факторам, от которых в первую очередь зависит основной метод осушения переувлажненной территории. В свою очередь, метод осушения характеризует основной принцип воздействия на неблагоприятный водный режим, требующий мелиоративного вмешательства. Метод осушения определяет направленность мелиоративных мероприятий (табл. 1).

Способ осушения - это сочетание технических средств с агротехническими и лесомелиоративными мероприятиями, направленными на ликвидацию переувлажнения и усиление аэрации почв. Способ осушения прямо связан с типом водного питания и основным методом осушения (табл. 2).

Способ осушения определяет принципиальную схему и конструкцию основного элемента осушительной системы - ее регулирующей сети.

Указанными методами и способами осушения можно в значительной мере изменить состояние корневых систем растений.

Корневые системы растений, расположенные в почве, определяют рост и развитие как самих корневых систем, так и растений в целом. В свою очередь, на развитие корневых систем сильное влияние оказывают почвенные условия, и в частности,

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

Таблица 2

Основные способы осушения

Метод осушения Способ осушения

Ускорение поверхностного стока Открытые каналы (собиратели), закрытые собиратели, планировка поверхности, агромелиоративные мероприятия

Повышение инфильтрационной и аккумулирующей способности почв Кротовый и щелевой дренажи, агромелиоративные мероприятия

Понижение уровней грунтовых вод Открытые каналы (осушители), закрытый материальный дренаж, вертикальный дренаж, углубление естественных дрен (реки, ручьи), коль-матаж поверхности

Перехват потока грунтовых вод Ловчие каналы и дрены, береговой дренаж, вертикальный дренаж

Уменьшение их притока Антифильтрационные завесы, мероприятия по ограничению питания грунтовых вод, биологический дренаж

Понижение пьезометрических уровней: на объекте за его пределами Глубокий горизонтальный (открытый и закрытый) дренаж, вертикальный дренаж, разгрузочные скважины - усилители горизонтального дренажа Устройство водозаборов подземных вод, мероприятия по ограничению питания напорного водоносного горизонта

Перехват на границе объекта склонового поверхностного стока Нагорные каналы, перехватывающие дрены, защитные дамбы

Уменьшение притока поверхностных вод со стороны Комплекс противоэрозионных мероприятий на склоне

Ускорение руслового паводкового стока Регулирование рек - водоприемников

Защита территории от затопления Обвалование рек, озер, нагорно-ловчих каналов

Разгрузка реки (озера) системой мероприятий по регулированию стока Устройство водохранилищ на реке и ее притоках, переброска части стока в бассейн другой реки, перехват притоков реки (озера) каналом со сбросом воды ниже объекта

В возрасте 26-40 лет прирост стержневого корня в глубину прекращается, снижается прирост горизонтальных корней 1-го порядка, отмечается интенсивный рост в глубину вертикальных ответвлений.

В возрасте 40-60 лет прирост в глубину вертикальных ответвлений прекращается, наблюдается усиленное ветвление стержневого корня по всей его протяженности, интенсивный рост корней 3-го и более высоких порядков горизонтальной ориентации, интенсивно насыщается корнями почвенное пространство, ранее освоенное корневой системой.

В возрасте 60 и более лет наблюдается интенсивное ветвление старых корней, образуются и растут новые корни 2-го и 3-го и

более высоких порядков, усиленно насыщается корнями почвенное пространство, ранее освоенное корневой системой.

Формирование корневых систем на почвах при наличии в почвенном профиле уплотненных горизонтов имеет свои особенности. Такие горизонты могут иметь вид орт-штейновых линз, оглеенных прослоек, скоплений карбонатов и т.д., препятствующих проникновению корней вертикальной ориентации вглубь почвы. При достижении уплотненного горизонта рост стержневого корня приостанавливается. Он или заканчивается здесь, не разветвляясь, или (более вероятно) интенсивно ветвится, образуя толстые разветвления или формируя незначительный по развитию 2-й ярус корней.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2007

91

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

Формирование корневых систем на почвах с наличием корненепроницаемого горизонта можно разделить на несколько периодов. В первый период в этих условиях формируется конусообразный тип строения со стержневым корнем так же, как и в ранее рассмотренных случаях. При достижении уплотненного горизонта почвы или уровня грунтовых вод стержневой корень изменяет вертикальное направление своего роста на горизонтальное, формируя интенсивно развитой 2-й ярус корней. Вертикальные ответвления от горизонтальных корней ведут себя так же. В конечном счете формируется двухъярусная корневая система, ограниченная по глубине проникновения корненепроницаемым горизонтом.

Формирование корневых систем в условиях непромывного водного режима происходит следующим образом. При недостаточной влагообеспеченности в условиях непромывного водного режима корневые системы древесных пород располагаются только в переделах зоны с наличием доступной влаги, т.е. в верхних горизонтах почвы, периодически увлажняемых атмосферными осадками. Стержневой корень занимает лидирующее положение в пределах зоны каймы капиллярной влаги. Достигнув ее нижней границы, он прекращает рост в глубину. Вертикальные ответвления от горизонтальных корней также прекращают свой рост в глубину, достигнув границы зоны увлажнения.

Формирование корневых систем на маломощных сильноувлажненных почвах имеет следующие характерные признаки. Достигнув высокого уровня грунтовых вод, стержневой корень быстро прекращает развитие и отмирает. Вертикальные ответвления от горизонтальных корней здесь не образуются в связи с тем, что под влиянием высокорасположенного корненепроницаемого горизонта они быстро принимают горизонтальное положение. Вся корневая система принимает вполне определенно выраженный поверхностный характер с глубиной размещения, ограниченной мощностью корнедоступного горизонта.

Приведенные схемы формирования пяти типов пространственной структуры корневой

системы далеко не исчерпывают всего разнообразия типов, встречающихся в природе.

Из приведенных выше данных очевидно огромное влияние почвенно-гидрологических факторов на рост и развитие корневых систем. Вполне понятно, что в настоящем разделе основное внимание мы обращаем на особенности роста в переувлажненных условиях, так как основной целью мелиорации (дренажа) является определение того водного режима почв, который обеспечит развитие растений на достаточно высоком уровне. При этом брать за эталон оптимальные почвенногидрологические условия ни в коем случае не следует, так как это может привести к постановке невыполнимой задачи.

С другой стороны, на переувлажненных почвах формируются иные условия накопления и консервации питательных веществ, которые несопоставимы с автоморф-ными почвами. Знание особенностей развития корневых систем растений в условиях различных почв необходимо как для решения проблем дренажа, так и орошения в вододефицитные периоды. Практически для решения указанных вопросов проводились и проводятся натурные эксперименты, которые должны ответить на эти вопросы и, в частности, при дренаже и осушении переувлажненных почв. Результаты этих исследований таковы.

Осушительная сеть на тяжелых почвах должна освобождать поверхность и верхний горизонт после дождя в течение 1-3 суток. Затопление поверхности ливневыми и летними паводковыми водами недопустимо.

Весеннее затопление является менее губительным, но и оно, будучи частично допустимым в сельском и лесном хозяйстве, должно считаться в ландшафтной архитектуре форс-мажорным обстоятельством.

Если причиной переувлажнения земель является близкое залегание грунтовых вод, то основной задачей осушительной системы является регулирование их глубины. Для конкретизации этого положения А.Н. Костяков еще в 1915 г. предложил использовать понятие «норма осушения». Норма осушения зависит от культуры, фазы развития растения, части вегетационного периода и т.д.

92

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

Таблица 3

Нормы осушения в различных условиях

Норма осушения

Хозяйство, направление Культура, тип леса весенняя средняя

(предпосевная) вегетационная

Сельское травы на сено, пастбища 40-50 50-60 60-70 65-75

Лесное, при вероятности превышения осадков 25 % сосняк кустарничково-сфанговый 25-35 35-45

ельник травяно-сфанговый 15-20 25-35

березняк долгомошный, второй ярус - ель 30-40 55-70

газон 20-30 40-50

Благоустройство, при цветники 25-35 45-60

вероятности превышения кустарники 30-40 50-60

осадков 25 % деревья 40-50 60-70

деревья с глубокой корневой системой 60-70 80-120

Рисунок. Расчетная схема для определения междренного расстояния

Она изменяется во времени в зависимости от климатических и погодных условий, а также почвенно-гидрологических характеристик.

Исходя из практических соображений и задач ландшафтной архитектуры понятие нормы осушения можно сформулировать следующим образом. Норма осушения - это то наименьшее понижение уровня грунтовых вод в наименее осушенной зоне (в середине между дренами), при котором достигаются оптимальные показатели почвенного плодородия и развития растений, используемых при благоустройстве.

Надо признать, что специальных наблюдений и исследований норм осуше-

ния для благоустройства практически не проводилось. Поэтому сегодня приходится пользоваться нормами осушения, используемыми в сельском и лесном хозяйстве с учетом их особенностей и опытом применения (табл. 3).

Нормативы, приведенные в табл. 3, требуют определенных комментариев. Так, например, нормативы из сельскохозяйственной практики подтверждаются многолетними наблюдениями как на опытных станциях, так и на производственных объектах. В то же время сравнительно высокие весенние (предпосевные) нормы объясняются не столько биологическими особенностями культуры, сколько необходимостью создания нормаль-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007

93

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

ных условий для работы машин и механизмов в весенний период.

Нормативы для леса не учитывают условия работы машин. Если такая потребность возникает (например при посадке лесных культур), то следует пользоваться нормами для сельского хозяйства. В то же время нормы для леса получены путем постановки специализированных экспериментов и в этом смысле являются достаточно точными и целенаправленными.

Следует также иметь в виду, что они рассчитаны не на средние многолетние условия, а на годы с осадками вероятности превышения 25 %, т.е. на средневлажные годы. В средний по осадкам год они будут несколько больше.

Наконец, нормативы для благоустройства, предназначенные для применения в ландшафтной архитектуре, предложены на основе отрывочных сведений, полученных при несистематических наблюдениях или принятых по аналогии с нормами, применяемыми в сельском и лесном хозяйстве.

В связи с этим необходимо разработать единую систему нормативов, которая, с одной стороны, отвечала бы требованиям ландшафтной архитектуры, а с другой - основывалась на расчете базовых показателей.

Исходя из теоретических представлений предложено много расчетных формул, но рекомендуется пользоваться формулами, приведенными в действующих нормативах. Для расчета по этим формулам необходимо руководствоваться расчетной схемой, на которой показаны основные параметры почвенно-грунтового профиля, заложение дрен и норма осушения.

Рассмотрим различные случаи проведения фильтрационных расчетов (расчетная схема расстояний между дренами приведена на рисунке).

1. Фильтрационные расчеты горизонтального дренажа в однородных грунтах при атмосферном и грунтовом питании следует проводить по следующим формулам: для случая hd < ad /4

a =4

2 HT

L2f +—п - Lf

2q„

J

для случая hd > ad /4

ad

2nkfH

% [ln (2ad / nD) + Li ]

где hd - расстояние от оси дрены до водоупора, м;

ad - расстояние между дренами, м;

Lf - общие фильтрационные сопротивления по степени и характеру вскрытия пласта, м;

H - расчетный напор, м;

Тп - проводимость пласта, м2/сут;

- интенсивность инфильтрационного питания (средний за расчетный период приток к закрытым дренам, каналам), м/сут;

k - коэффициент фильтрации грунта, м/сут;

D - наружный диаметр дрены, м;

L - фильтрационные сопротивления по характеру вскрытия пласта, м.

При использовании указанных формул неизвестна величина h т.е. расстояние от оси дрены до водоупора. Эту величину можно получить непосредственно в «поле» при проведении бурения или шурфования. Для определения первоначального расстояния между дренами можно воспользоваться местными данными.

Общие фильтрационные сопротивления определяются по формуле

к f h, Л 2h f 4h ^ f 2h Л

L f =-*- ln \-±- | + —ln 1 —1 + L

f п V nd J hd у nd J V К j i

где h0 - это половина расчетного напора,

(ho = 0,5H).

Расчетный напор следует определять по формуле

H = dd - 0,6/nd,

где dd - глубина до оси дрены, м;

Jnd - норма осушения, м.

Проводимость пласта Г, м2/сут, определяют по формуле

Tn = kf (h0+ hd).

Интенсивность инфильтрационного питания определяется на основании региональных данных или находится по формуле

qn=W / H

где W - количество (слой) воды, подлежащей отводу, м;

tH - время понижения уровня грунтовых вод до нормы осушения, сут.

94

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

Таблица 4

Рекомендуемые расстояния между дренами

Название почвы по гранулометрическому составу (по Н.А. Качинскому) Содержание физической глины (частиц размером менее 0,01 мм), % Глубина дренажной траншеи, м Расстояние между дренами, м

Интервал Среднее значение

Глина тяжелая Более 80 75 0,8-1,0 7-10

Глина средняя 65-80 10-12

Глина легкая 50-65 12-14

Суглинок тяжелый 40-50 45 0,9—1,1 14-16

Суглинок средний 30-40 35 0,9—1,1 16-19

Суглинок легкий 20-30 25 1,0—1,2 19-22

Супесь 10-20 15 1,0—1,2 22-25

Песок связной 5-10 5 0,8-1,0 25-30

Песок рыхлый 0-5

Торф низинный - - 1.0-1.3 0,8-1,0 30-40

Торф переходный - - 1,0-1,3 0,8-1,0 25-35

Торф верховой - - 12-14 0,8-1,0 20-30

Таблица 5

Поправочные коэффициенты на расстояние между дренами

Глубина дренажной траншеи, м Коэффициенты при преобладании почв

глинистых легких суглинков и супесей песков низинных торфов

0,4 0,46 0,53 0,58 0,40

0,6 0,65 0,70 0,76 0,55

0,8 0,84 0,87 0,90 0,78

1,0 1,00 1,00 1,00 1,00

1,2 1,09 1,14 1,17 1,14

1,4 1,16 1,26 1,32 1,23

1,6 1,22 1,37 1,46 1,26

Количество (слой) воды, подлежащей отводу, определяется по формуле

W = h + J я + P0 - Et,

s nd~ 0 н

где hs - слой воды, оставшейся на поверхности после схода весенних или ливневых вод (с учетом мероприятий по организации поверхностного стока hs следует принимать 0,01 м);

Р0 - количество осадков, выпавших за расчетный период, м, принимаются для пашни, пастбищ и объектов ландшафтной архитектуры 10 %-й и сенокосов 25 %-й вероятности превышения;

Е - суточный слой испарения за расчетный период в год 10 %-й вероятности

превышения для пашни, пастбищ и объектов ландшафтной архитектуры и 25 %-й для сенокосов.

Значения фильтрационных сопротивлений по характеру вскрытия пласта L в зависимости от конструкции дрен:

а) керамические трубы без фильтра - 8;

б) керамические трубы без фильтра с оберткой стыков рулонными защитно-фильтрующими материалами - 3;

в) керамические трубы без фильтра со сплошной оберткой - 1;

г) гофрированные пластмассовые трубы без фильтра - 4;

д) гофрированные пластмассовые трубы с оберткой рулонными защитно-фильтрующими материалами - 0,5;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007

95

МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ

е) гофрированные пластмассовые трубы с устройством объемных фильтров толщиной 20 см и более - 0.

Если коэффициент водоотдачи не был определен при изысканиях, то его величину можно принять по разработанным рекомендациям или рассчитать по формулам: для минеральных почв -

й = 0,056 k;5 J„/33; для торфяных почв -

й = 0,056 up JJ\

Расчет междренных расстояний по формулам требует, как правило, достаточно точного определения исходных данных во время почвенно-мелиоративных исследований или изысканий.

Если объект по своим размерам невелик, то очень часто такие изыскания просто не проводятся. В этом случае, в соответствии с отечественной и зарубежной практикой, может использоваться метод определения междренных расстояний по гранулометрическому составу минеральных почв. Чем тяжелее почва, тем меньше ее водопроницаемость и тем меньшими должны быть меж-дренные расстояния. Используя прямые наблюдения за действием дренажных систем и физико-механическими свойствами осушаемых почв, удалось установить графическую связь между междренными расстояниями, оказывающими оптимальное влияние на водный режим, и их гранулометрическим составом.

Приближенно определить расстояния между дренами на минеральных и торфяных почвах на основе обработки, главным образом, отечественных полевых и литературных материалов для применения на объектах ландшафтной архитектуры можно также при помощи таблиц 4 и 5.

Примечания:

1. При проектировании дренажа для посадки деревьев с глубокой корневой системой глубина дренажных траншей принимается на 0,2-0,3 м больше расчетной глубины проникновения корней.

2. Приведенные показатели рассчитаны на применение в условиях Московской области и ближайшего Подмосковья.

3. Почвенные показатели характерны для почв подзолистого типа почвообразования.

4. Для торфяных почв указаны два значения глубины траншеи (в числителе - до осадки торфа; в знаменателе - после).

Последняя поправка оценивается как существенная именно в условиях территорий, отводимых под объекты ландшафтной архитектуры.

Поправочный коэффициент на время достижения нормы осушения К = 0,316 t0>5,

где tH - время понижения грунтовых вод до

нормы, сут.

Так, например, если необходимо определить расстояние между дренами в условиях Московской области. Почвы среднесуглинистые, глубина траншей под дрены - 0,9 м, время понижения уровня грунтовых вод - 5 сут.

Среднее расстояние между дренами - 17,5 м. Поправка на глубину траншей (по интерполяции) - 0,92. Определяем поправку на время понижения грунтовых вод

K = 0,316 х t 05 = 0,316 х 505 = 0,708

t 5 n 5 5

Определяем расчетное расстояние между дренами

a. = 17,5 х 0,92 х 0,708 = 11,39 « 11,4 м.

d 5 5 5 5 5

Безусловно, использование изложенного подхода не заменяет собой расчет по основным формулам, но дает достаточно приемлемый результат.

Библиографический список

1. Калинин, М.И. Корневедение / М.И. Калинин. - М.: Экология, 1991. - 173 с.

2. Сабо, Е.Д. Гидротехнические мелиорации ландшафта / Е.Д. Сабо, О.В. Кормилицына, В.В. Бондаренко. - М.: МГУЛ, 2004. - 124 с.

3. Теодоронский, В.С. Строительство и эксплуатация объектов ландшафтной архитектуры / В.С. Теодоронский, Е.Д. Сабо, В.А. Фролова; под общ. ред. В.С. Теодоронского. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - 352 с.

96

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007