Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Водопроницаемость иллювиального горизонта в дерново-подзолистых почв 32
2.1. Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при безнапорном впитывании 35
2.2. Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при напорном впитывании 45
2.3. Особенности пространственной вариации водопроницаемости и ее связь со сложением почвы 62
Выводы по главе 77
Глава 3. Оценка возможности образования верховодки .. 79
3.1.О подходах к оценке образования и роли верховодки 79
3.1. Усовершенствованный способ расчета верховодки с учетом данных о дождливых периодах 81
Выводы по главе 92
Глава 4. Прогноз водного режима переувлажненных подзолистых почв 93
4.1. Моделирование водного режима катены в естественных условиях и при мелиорации 93
4.2. Оптимизация водного режима управлением водопроницаемостью иллювиального горизонта 109
Выводы по главе 119
Заключение 120
Литература
- Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при напорном впитывании
- Особенности пространственной вариации водопроницаемости и ее связь со сложением почвы
- Усовершенствованный способ расчета верховодки с учетом данных о дождливых периодах
- Оптимизация водного режима управлением водопроницаемостью иллювиального горизонта
Введение к работе
Актуальность работы. Нечерноземная зона России, занимающая
площадь более 250 млн. га, является важным в сельскохозяйственном отношении регионом, в котором к 1980 г. мелиоративный фонд составлял 10,8 млн. га. Подъем и интенсификация сельского хозяйства в этом регионе требуют применения комплексных мелиорации, что вызвано особенностями умеренно континентального климата, в котором возможны как влажные, так и засушливые годы, а также широким распространением переувлажненных почв (из-за малой водопроницаемости глин и суглинков на моренных отложениях) (Алексанкин, Дружинин, 1980).
На проблемы мелиорации земель в Нечерноземной зоне обращали внимание С.Ф. Аверьянов (1957, 1969), А.Д. Брудастов (1934, 1955), А.И. Голованов (1965, 1990), Ф.Р. Зайдельман (1981, 1984, 1991, 2003), А.Н. Костяков (1960), Е.С. Марков (1973, 1977), Б.С. Маслов (1970, 1971, 1999), В.В. Пчелкин (2003). Традиционно в работах уделяется больше внимания пойменным землям, хотя рассматриваются и вопросы мелиорации земель на элювиальных фациях, на которых в Московской области широко распространены подзолистые почвы (Почвы Московской области..., 2002).
Основной задачей мелиорации А.Н. Костяков считал управление круговоротом воды и зольных питательных элементов в целях прогрессивного повышения плодородия почв (Костяков, 1960). Совместное управление геологическим и биологическим круговоротом воды и зольных питательных веществ может быть достигнуто при условии комплексной взаимосвязи ме--лиорашвно-1 идротехнических и агротехнических методов, составляющих единую систему мелиоративных мероприятий, отвечающих природным и хозяйственным условиям данного района. А.И. Голованов развил эти представления и применительно к землям сельскохозяйственного назначения сформулировал: «цель мелиорации заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почвы, получении оптимального урожая определенных сельско-
4 хозяйственных культур при экономном расходовании всех ресурсов, недопущении или компенсации ущерба природным системам и другим землепользователям» (Основы природообустройства, 2001). Однако цели мелиорации земель могут быть достигнуты только при выполнении набора требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечивать система мелиоративных мероприятий. Этот набор требований А.И. Голованов и И.П. Айдаров назвали мелиоративным режимом (Айдаров, Голованов, 1986).
Общие подходы к регулированию водного режима почв как основы почвообразовательного процесса и обеспечения потребностей интенсивного земледелия в гумидных районах можно свести к предупреждению вторичного заболачивания территорий, усилению аэрации почв для активизации корневой деятельности и развития в почвах окислительных процессов, ослаблению промывного режима (Оптимизация мелиоративных режимов..., 1990).
Теория мелиоративного режима продуктивна при соответствующем комплексном подходе к описанию и анализу природных систем. Современная мелиорация опирается на геосистемный подход, в рамках которого необходимо изучение свойств всех компонентов природы и закономерностей их взаимодействия (Основы природообустройства, 2001, Ландшафтоведение, 2005).
Изучению влияния мелиорации на отдельные компоненты природной среды и ландшафты в целом посвящены исследования С.Ф. Аверьянова (1974), И.П. Айдарова (1986, 1990), А.И. Голованова (1975,1986,1991, 1993), Ф.Р. Зайдельмана (1984), Д.М. Каца (1988), Л.В. Кирейчевой (1997), Д.А. Манукьяна (1986), В.В. Шабанова (1983) и других ученых.
Разнообразие геологических и гидрогеологических условий, тепло- и влагообеспеченности территории формируют весьма разнообразную матрицу ландшафтов и местностей с различными типами водного питания и условиями почвообразования, результатом которых является специфический почвен-
5 ный покров ландшафтов. В гумидной зоне сочетание и периодическая смена подзолистого, глеевого и дернового процессов приводят к появлению недостаточно плодородных в естественном состоянии, но отзывчивых на мелиоративные воздействия почв. Подзолистые почвы отличаются сложным строением, почвенный профиль содержит вымытый легкий по механическому составу элювиальный горизонт и тяжелый иллювиальный, последний часто образуется на покровных суглинках, развившихся на мореных отложениях (Плюснин, Голованов, 1983).
Почва, будучи сложным самоорганизующимся органоминеральным телом, активно регулирует обмен с окружающей средой. Слабопроницаемый иллювиальный горизонт выполняет функцию локального водоупора, активно управляющего потоками влаги в почве. Низкая водопроницаемость вызывает застой влаги в корнеобитаемом слое, что меняет направленность почвообразовательного процесса и может иметь как позитивное (снижает промывае-мость и потери гумуса), так и негативное значение для роста и развития сельскохозяйственных растений (вызывает образование верховодки и подтопление корневой системы). Развитая структура и макропоры (трещины, корневые ходы, червороины) иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв создают из слабопроницаемого слоя активную среду, которая снижает про-мываемость верхних горизонтов, задерживая в них влагу, но обильные ин-фильтрационные потоки перераспределяет в почвенном профиле.
Эти земли часто обладают неудовлетворительными потребительскими свойствами, которые обусловлены их генезисом, строением, функционированием. С одной стороны, промывной режим этих почв обуславливает потерю питательных веществ и гумуса из верхних горизонтов, с другой стороны, недостаточная водопроницаемость иллювиального горизонта обуславливает их переувлажнение и оглеение (Зайдельман, 1998).
Развитие подходов имитационного моделирования природных процессов при мелиорации земель (Основы природообустройства, 2001) требует па-
раметризации моделей, для чего необходимы модельно-ориентированные эксперименты по определению различных гидрофизических характеристик почв и грунтов (Никитенков, 1983). Почвоведы глубоко проникли в понимание особенностей процессов в дерново-подзолистых почвах, на этих знаниях должны быть основаны современные экспериментальные методики и рекомендации по проведению мелиоративных мероприятий.
В настоящее время в литературе нет однозначного мнения по поводу корректного экспериментального определения одного из важнейших показателей водопроницаемости - коэффициента фильтрации почв со сложным строением порового пространства, развитой структурой и макропорами. Требуются экспресс-методы, позволяющие получить необходимую информацию для моделирования влагопереноса в почвах и грунтах с учетом их сложного строения.
Для обоснования мероприятий по управлению водным режимом дерново-подзолистых почв на землях сельскохозяйственного назначения при дренаже требуются количественные прогнозы, основанные на моделировании влагопереноса, а также данные о возможности образования верховодки при конкретном инфильтрационном питании и водопроницаемости иллювиального горизонта. Слабо освещен вопрос о пространственной вариации коэффициента фильтрации иллювиального горизонта, тогда как именно эти данные позволят прояснить особенности образования прерывного в пространстве переувлажнения над иллювиальным горизонтом.
Существующие сведения о сложном строении и свойствах иллювиального горизонта требуют проработки вопросов об оптимизации водного режима земель управлением его водопроницаемостью, для чего необходимы данные о динамике восстановления водопроницаемости нарушенного иллювиального горизонта.
В связи с вышеизложенным, в развитие существующих знаний и представлений об оптимизации водного режима земель сельскохозяйственного
7 назначения была поставлена следующая цель работы: оценить влияние водопроницаемости сложно устроенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на водный режим дренируемых земель и дать рекомендации по управлению им. Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:
Выявить особенности строения порового пространства трещиноватого макропористого иллювиального горизонта и его водопроницаемости.
Изучить особенности формирования водопроницаемости дерново-подзолистых почв на моренных отложениях Московской области и ее влияние на водный режим земель.
Разработать и оценить способы определения водопроницаемости почв.
Изучить особенности восстановления водопроницаемости иллювиального горизонта, поврежденного при антропогенной деятельности.
Оценить возможность образования верховодки на иллювиальном горизонте.
Дать рекомендации по оптимизации водопроницаемости иллювиального горизонта для управления водным режимом дренируемых земель.
Для решения поставленных задач было выбрано несколько методов исследований: имеющиеся теоретические и экспериментальные разработки были обобщены по литературным источникам; применен ландшафтный подход к описанию района исследований и водного режима земель; проанализированы, разработаны и усовершенствованы способы экспериментального определение водопроницаемости почв; для описания естественного водного режима земель, а также его изменения при мелиорации использовано математическое моделирование процессов влагопереноса в почвах и грунтах и продуктивности растений.
Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства, экспе-
8 рименты выполнены автором на стационаре кафедры «Дубна» (дер. Селково, Сергиево-Посадский район Московской области) в 2003 - 2006 годах. Научная новизна
Для иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв выявлено два вида водопроницаемости и предложено определять два различных коэффициента фильтрации: матричный при безнапорном впитывании и эффективный при напорном.
Предложен способ определения водопроницаемости напорным впитыванием при переменном уровне воды из инфильтрометра с одиночным кольцом.
Впервые предложен экспресс-метод определения дождеванием водопроницаемости моренного иллювиального горизонта при безнапорном впитывании.
Разработана и апробирована модель влагопереноса для описания экспериментов по определению водопроницаемости почв.
Расширены представления о пространственной вариации водопроницаемости иллювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв на морене.
Получены данные о восстановлении нарушенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв.
Практическая значимость работы
Предложена комплексная методика оценки водопроницаемости почв при напорном и безнапорном впитывании, позволяющая выявить величины эффективного и матричного коэффициентов фильтрации.
Предложена процедура описания верховодки при обильных дождях.
Даны рекомендации по управлению водопроницаемостью иллювиального горизонта для оптимизации водного режима земель.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены автором на Юбилейной конференции, посвященной 75-тилетию Почвенного института им. В.В. Докучаева «Устойчивость почв к естественным и антро-
9 погенным воздействиям» в 2002 году, Всероссийской конференции молодых ученых аграрных вузов «Инновации молодых ученых - сельскому хозяйству» (Москва, 2006), Международных конференциях МГУП «Природообуст-ройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» в 2005 и «Роль природообустройст-ва в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» 2006 годах, 2-й и 3-й Всероссийских конференциях молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, ФГНУ ВНИИ «Радуга», в 2005 и 2006 годах), семинаре Департамента обустройства земель и водных объектов Сельскохозяйственного университета штата Пенджаб (Индия) в 2007 году. По теме диссертации опубликовано 5 работ, материалы использованы при написании учебного пособия «Природно-техногенные комплексы природообустройства».
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. А.И. Голованову; начальнику стационара «Дубна» Ю.М. Зыкову и его сотрудникам за помощь в организации экспериментов; преподавателям и аспирантам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП за обсуждение работы и советы.
Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при напорном впитывании
Для оценки впитывающей способности и водопроницаемости почв при затоплении (напорное впитывание) применяют различные экспериментальных подходы, которые в основном сводятся к воспроизведению процесса впитывания на небольших участках при некотором слое затопления и наблюдению за скоростью впитывания, объемом и слоем впитавшейся воды.
Широко известен способ заливаемых площадок, при котором на поверхности почвы устанавливается рамка, ограничивающая заливаемую площадку, размером 1x1 м или 2x2 м, слой воды в рамке поддерживают постоянным (по различным методикам около 2...5 см), эксперимент продолжают до стабилизации скорости впитывания, контролируя количество впитавшейся воды в единицу времени.
С целью облегчить проведение эксперимента разработана схема опыта с двумя концентрическими кольцами - прибор Н.С. Нестерова (ПВН) (Бадов, 1975), за рубежом такая схема известна как инфильтрометр с двумя кольцами (double ring infiltrometer). Обычно методиками требуется поддерживать в обоих концентрически установленных врезанных в почву кольцах постоянные уровни воды (например, с помощью сосудов Мариотта), эксперимент продолжают до стабилизации скорости впитывания из центрального кольца. Считается, что из внутреннего кольца инфильтрация воды одномерная и происходит только в вертикальном направлении.
Коэффициенты А и а чаще всего определяют путем обработки данных полевых измерений скорости впитывания. Рїзвестно, что эти коэффициенты зависят не только от водно-физических свойств почвы, но и от влажности в начале впитывания и глубины грунтовых вод. Чем меньше эта влажность, тем более неравномерна во времени скорость впитывания и больше объем впитавшейся воды. Отметим также, что выражения (2.2.1) - (2.2.3) справедливы при пренебрежении напором воды на поверхности почвы.
При стационарном режиме потока в однородной и изотропной по проницаемости среде Н.К. Гиринским получено решение задачи фильтрации из кольца. В аппроксимированном виде (по статье Бадова В.В., 1975) скорость инфильтрации из кольца связана с коэффициентом фильтрации соотношением v = s6K , В котором коэффициент бокового растекания є6 зависит от диаметра кольца и максимальной высоты капиллярного поднятия. Для достижения установившегося потока и применения этого подхода требуется, как правило, значительное время проведения эксперимента и большой расход воды.
Эксперименты, проводимы при постоянном уровне воды на площадке или в двух кольцах, достаточно трудоемки, требуют значительного количества воды. Строгое математическое моделирование показывает, что впитывание только с больших заливаемых площадок близко к одномерному, внутреннее кольцо двухкольцевого инфильтрометра не обеспечивает строго вертикального впитывания. В.М. Шестаков указывает (Опытно-фильтрационные работы, 1974), что имеющиеся данные не позволяют сделать достаточно ясные выводы о преимуществах двухкольцевого инфильтрометра перед одно-кольцевым, подтверждая это ссылками на экспериментальный материал, который подтверждает незначительную разницу определений проницаемости с помощью одно- и двухкольцевых инфильтрометров (Бадов, 1975, Burgy, Luhin, 1956). Поэтому делаются попытки упростить эксперимент и использовать одно кольцо вместо двух. Методика в таком случае должна позволять описывать боковое растекание при впитывании. Еще одно упрощение методики - использование переменного во времени уровня воды, который не нужно поддерживать. Это требует новых способов математического описания таких экспериментов.
Данная методика не учитывает врезку кольца, которая замедляет впитывание. Кроме того, из опыта проведения наливов известно, что при измерении слоя впитавшейся из кольца воды на графике скорости гораздо заметнее как пульсации скорости, так и погрешности измерения. Эти колебания не так сказываются на интегральной кривой (т.е. кривой слоя впитавшейся воды). Отметим, что при этом погрешности не исчезают, поэтому нежелательно их еще и перемножать при описании опыта.
Методики W. Reynolds, D. Elrick (1990, 1992, 1995) для описания на лива в однокольцевой инфильтрометр требуют поддержания в кольце не большого (0,5...1,5 см) постоянного уровня воды. Одномерность течения предлагается обеспечивать глубокой врезкой кольца (10... 15 см). Последова тели L. Wu, L. Pan (1997,1999) получили обобщенное решение, позволяющее учесть трехмерность влагопереноса при наливе в одиночное кольцо с посто янный уровнем. Благодаря этому не требуется такая глубокая врезка кольца в почву, что позволяет снизить опасность нарушения структуры почвы. Ско рость впитывания описывается выражением i/ic=a+b(t/Tc) , (2.2.11) где а и b - параметры аппроксимации кривой скорости впитывания, ic - коэффициент, в который входит коэффициент фильтрации и корректирующий показатель, учитывающий отличие одномерного течения от происходящего в реальности трехмерного (зависит от геометрии кольца и начальной влажности почвы), Тс - коэффициент, зависящий от искомого коэффициента фильтрации и начальной влажности (авторами даны формулы для расчета этой характеристики). Авторы рекомендуют два варианта обработки кривой впитывания - целиком за все время опыта или только последней части, характеризующей установившееся впитывание.
На кафедре мелиорации и рекультивации земель МГУП по предложению А.И. Голованова в течение ряда лет изучают впитывание воды в почву с помощью инфильтрометров с одиночным кольцом. Для обработки таких экс 52 периментов нужен соответствующий математический аппарат, который позволяет учитывать боковое растекание воды при впитывании, диаметр кольца и глубину его врезки в почву, гидрофизические свойства почвы, допускает описание опытов с переменным уровнем воды в кольце.
А.И. Голованов рассматривает случай впитывания в довольно сухую почву при глубоких грунтовых водах. Примем, что по всей глубине влажность почвы постоянна, равна а0 и ей соответствует капиллярный напор i//0, определяемый по зависимости (2.1.15), в процессе впитывания на поверхности почвы задается слой воды у/с.
Особенности пространственной вариации водопроницаемости и ее связь со сложением почвы
В таблице 2.2. показаны результаты 31 налива из инфильтрометра с одним кольцом. Для различных опытов были использованы кольца диаметром 18 и 22 см, так что характерным размером зоны опробования при наливе можно считать величину 20 см, объем зоны опробования около 6-Ю 3 м3. Область инфильтрации включает в себя систему макропор и микропористые блоки, зона опробования значительно больше характерных размеров микропористых блоков и макропор. Так, характерные размеры трещин, разделяющих блоки, порядка десятых долей миллиметра, размеры микропористых блоков 5...15 мм (при разламывании руками воздушно-сухих образцов почвы), характерные диаметры ходов дождевых червей 3...5 мм количеством 0...8 шт., аналогичные или чуть меньшие размеры имеют каналы от выгнивших корней растений.
При проведении наливов фиксировалось количество открытых в кольце червороин (последний столбец таблицы 2.2). Никаких специальных требований к установке кольца инфильтрометра не выдвигалось, поэтому можно считать, что число ходов червей в кольце при проведении опыта есть величина случайная, зависящая от среднего количества червей в почве, их активности в горизонте В, а также случайной неоднородности размещения ходов в толще почвы.
Имеющимися методами выяснить роль во влагопереносе тех или иных элементов системы макропор затруднительно. Попытки использовать для выяснения предпочтительных путей протекания раствора синьки, а также флуоресцирующего красителя зитрозина, которые по гидродинамическим характеристикам не отличаются от воды, не привели к результату. Причиной этого является собственная яркая окраска изучаемого иллювиального горизонта. Как видно из таблицы 2.2, в некоторых кольцах (всего 4 шт.) открытые на поверхности ходы не встречаются. В 15 из 31 опыта в кольце были не более двух ходов червей; найденные в этих опытах коэффициенты фильтрации Кз не превышают 1,0 м/сут, тогда как максимальные эффективные коэффициенты фильтрации в 2,5...3 раза больше. Для построения графика связи между коэффициентом фильтрации и числом червороин количество ходов в одном кольце приведено к 1 м2. Этот пересчет отличается известной неточностью, поскольку по данным осмотра дна шурфов и поверхности горизонта В внутри кольца инфильтрометра распределение ходов по площади отличается значительной вариацией.
На рисунке 2.11 показана связь между количеством червороин в кольце и коэффициентом фильтрации Кз. Анализ показывает, что четкой функциональной связи между количеством ходов, открытых в кольце, и коэффициентом фильтрации Кз не прослеживается, линия тренда (найденная в виде экспоненциальной зависимости методом наименьшей суммы квадратов отклонений) характеризует облако точек с достаточно высоким коэффициентом корреляции R=0,794. Интересно заметить, что, согласно полученной зависимости, при отсутствии ходов в кольце эффективный коэффициент фильтрации составляет 0,074 м/сут, что вполне похоже на ранее найденную среднюю величину матричного коэффициента фильтрации 0,09 м/сут (см. таблицу 2.1).
Разумеется, червороины - это только часть макропористой системы данного горизонта, от строения которой зависит водопроницаемость при напорном впитывании, характеризуемая эффективным коэффициентом фильтрации. Не слишком явно выраженная связь между количеством ходов дождевых червей в кольце и коэффициентом фильтрации лишний раз подтверждает, что среди макропор ходы червей играют важную, но не преобладающую роль. Эти же выводы подтверждают мнение авторов (Шестаков с соавт., 1982), что инфильтрационный поток из кольца имеет чрезвычайно сложный характер, в значительной степени определяемый неоднородностью строения зоны аэрации, в связи с чем не представляется возможным составить расчетную схему фильтрации из инфильтрометра, которая бы отражала все его особенности. Сложные модели, учитывающие разные виды и размеры макропор и трещин иллювиального моренного горизонта, их сложную геометрию, изменение с глубиной плотности и проницаемости почвы и другие уточнения, значительно усложнят параметризацию моделей, не давая, вероятно, принципиальных уточнений характера процесса впитывания и влагопереноса. Разумеется, дополнительного изучения требует вопрос о переносе водным потоком растворенных веществ при просачивании через рассматриваемый горизонт. Автором эти вопросы не изучались.
Между количеством ходов дождевых червей и эффективным коэффициентом фильтрации выявлена связь с коэффициентом корреляции 0,794: при количестве ходов до 75 шт/м эффективный коэффициент фильтрации иллювиального горизонта, определенный наливами в описанный выше одноколь-цевой инфильтрометр, обычно не превышает 1,0 м/сут. При 150...200 шт/м червороин величины эффективного коэффициента фильтрации составляют 1,5...2,5 м/сут. Это число червороин вполне может наблюдаться при описании почв (Пономарева, 1950), причем почвы на участке исследований, по данным автора, могут быть населены дождевыми червями до глубины 1,6...1,9 м.
По данным таблицы 2.2 видно, что наименьшие значения в ряду эффективных коэффициентов фильтрации по порядку величины похожи на значения матричных коэффициентов фильтрации, определенные при дождевании площадки на иллювиальном моренном горизонте В.
Усовершенствованный способ расчета верховодки с учетом данных о дождливых периодах
Для оценки возможности образования верховодки необходимы расчеты влагопереноса в почве с учетом как водопроницаемости раздельного слоя (иллювиального горизонта), так и информация о характерном инфильтраци-онном питании в разные по продолжительности дождливые периоды, которое влияют на внутригодовой ход влажности корнеобитаемого слоя. Величина инфильтрационного питания может быть оценена по суточной интенсивности осадков дождливого периода (т.е. когда осадки в виде дождя выпадают каждый день). В таблице 3.1 приведены обработанные за 100 лет данные наблюдений на метеостанции Московская метеорологическая обсерватория им. Михель-сона (ТСХА) о количестве атмосферных осадков за непрерывные дождливые периоды (Голованов, Караев, 1986).
По продолжительности дождливого периода и суммарному количеству осадков в этот период можно рассчитать суточные интенсивности осадков (таблица 3.2). В первом приближении можно считать, что при малых уклонах поверхности, достаточной свободной пористости почвы и малом за дождливый период испарении все выпавшие осадки просачиваются через верхние горизонты к иллювиальному горизонту В. Это инфильтрационное питание может вызывать появление верховодки.
В условиях Московской области продолжительные дождливые периоды не редкость. С повторяемостью 1 раз в 10 лет можно наблюдать дождливые периоды продолжительностью до 7 суток с суммой осадков до 60 мм, а при расчетной повторяемости 1 раз в 50 лет продолжительность дождливых периодов увеличивается до 8 суток с суммой осадков около 80 мм. В катастрофически влажные годы (с повторяемостью 1 раз в 100 лет) сумма осадков за дождливый период может достигать 100 мм, в том числе за одни сутки, что бывает 1 раз в 100 лет.
Расчеты по предлагаемому методу можно выполнять вручную. Рассмотрим следующую расчетную схему (рис. 3.1), которая учитывает наличие слабопроницаемого горизонта (раздельного слоя), на котором при определенной инфильтрации может формироваться зона полного насыщения (верховодка). Б.А. Файбишенко (1986) указывает, что при образовании верховодки над раздельным слоем присутствует зона полного насыщения, под ним -зона неполного насыщения, тогда в самом раздельном слое есть и та, и другая. Границу раздела между ними предложено называть нижним уровнем верховодки (НУВ), по аналогии назовем верхний уровень верховодки, располагающийся выше раздельного слоя (ВУВ).
Для расчета образования верховодки можно пользоваться подходом, при котором рассматривают потери напора фильтрационного потока во всех зонах влагопереноса. В зонах полного насыщения потери определяются исходя из закона Дарси, а в зонах неполного насыщения может быть использовано решение, полученное ранее (Голованов, Паласиос, 1979). Это решение позволяют определить капиллярную составляющую напора у/ (и соответствующую влажность со) на одной из границ зоны неполного насыщения мощностью h. На другой границе зоны - насыщенный слой. Примем, что через все зоны имеется нисходящий установившийся поток влаги q (принято, что q 0 при нисходящих токах).
Представляется непростой задачей создать численный или аналитический метод, позволяющий корректно учесть скачкообразное возрастание водопроницаемости горизонта при переходе от безнапорной фильтрации в горизонт В к напорной фильтрации из вышележащих горизонтов (если даже такое скачкообразное возрастание имеет место). В момент появления зоны полного насыщения не обязательно происходит скачок водопроницаемости, поскольку данные наливов (таблица 2.2) показывают, что существует значительная вариация в пространстве эффективного коэффициента фильтрации, и на отдельных участках Кэ существенно не отличается от Км - на таких участках образование верховодки наиболее вероятно. В тех случаях, когда Кэ высок, срабатывание верховодки будет происходить быстрее, чем на тех участках, где макропоры почти или полностью отсутствуют (о возможных характерных размерах и распространенности таких участков сказано выше).
Оптимизация водного режима управлением водопроницаемостью иллювиального горизонта
На основе выполненных прогнозных расчетов водного режима катены в бассейне р. Дубны рекомендованы следующие мелиоративные мероприятия: оптимизация глубины русла р. Шурумка (ловчей дрены в основании склона), осушение пойменной пониженной фации горизонтальным дренажем, заложенным на глубине 1,2..1,3 м с междренным расстоянием 30 м, орошение сельскохозяйственных угодий на возвышенности со среднемноголет-ней нормой 66 мм. Расчеты позволили оценить риск образования верховодки: на площади 5% - до 230 раз за 100 лет, на площади 15% - до 22 раз за сто лет из-за естественных дождливых периодов разной продолжительности, на больших площадях вероятность образования верховодки мала. Ранее обсуждены особенности водного режима и гидроморфизма дерново-подзолистых и дерново-подзолистых глееватых почв. Ф.Р. Зайдельман (1998) утверждает, что изменение направленности почвообразовательных процессов в сторону оглеения зачастую является следствием орошения на подзолистых и дерново-подзолистых почвах, подчеркивая важную роль застоя влаги в почвах как фактора почвообразования. Можно предположить, что при оглеении почв водопроницаемость иллювиального горизонта снизится, что в свою очередь, увеличит риск переувлажения из-за образования верховодки (это обсуждено в главе 1), по мере усиления глеевого процесса при орошении этих почв урожайность культур будет снижаться. Этот процесс достаточно медленный (займет, по крайней мере, годы, а то и десятки лет), тогда как эффект от орошения скажется на первых же урожаях. Анализ ситуации осложнится тем, что имеются и другие предпосылки к снижению урожайности, указанные ранее (вымывание питательных веществ, гумуса и т.д.). Рассмотренная ситуация вполне может быть иллюстрацией принципа «обманчивого благополучия», согласно которому положительный эффект первых лет реализации проекта сначала затухает, а затем и перевешивается отрицательными тенденциями (Реймерс Н.Ф., 1990).
Отметим, что в нижней части склона даже в отсутствии орошения возможность переувлажнения также присутствует. Это подтверждается сравнением урожайности многолетних трав в среднем за 42 года и во влажные годы. До мелиорации эти показатели составляли 0,38 и 0,13, разница почти в три раза ясно свидетельствует о решающей роли переувлажнения в снижении урожаев. После доведения ловчей дрены до глубины 1,6...1,7 м ситуация в принципе не изменилась, средняя относительная урожайность за 42 года составляет 0,71, а во влажные годы 0,54. Даже без детального анализа внутри-годового хода влажности понятно, что примененные мелиоративные мероприятия при снижении уровней грунтовых вод на склоне не ликвидировали периодическое переувлажнение.
А.Д. Брудастов (1955) отмечает, что для осушения суглинистых земель имеет большое значение введение правильных севооборотов, в результате действия которых почвы постепенно приобретают комковатое строение не только в пределах пахотного горизонта, но и значительно глубже. Обычно севооборотов недостаточно для оструктуривания пахотного и подпахотного горизонтов. В настоящее время проблема строения порового пространства почв и улучшения их структуры привлекает большое внимание (Бондарев А.Г., 1965, Водяницкий Ю.Н., 1985, Мосолова А.И., Уткаева В.Ф., 1976, Смирнова И.В., 2004). Для снижения рисков, связанных с периодическим переувлажнением дерново-подзолистых почв на суглинках, разработан набор агромелиоративных мероприятий (Розин, 1957). Как отмечает Ф.Р. Зайдель-ман (1998), при осушении земель атмосферного типа водного питания для ускорения внутрипочвенного стока применяют три весьма эффективных способа — кротование (отметим, что кротовины (созданные кротованием) и кро товый дренаж (кротовые земляные дрены) различаются), глубокое мелиоративное рыхление и чизелевание.
Отметим, что ускорение внутрипочвенного стока - благоприятный процесс только с точки зрения земледельца. При этом ликвидируется переувлажнение, но одновременно усиливается промывной режим почв, что способствует истощению и так ограниченных запасов гумуса и питательных веществ. Эти процессы усугубляются при орошении таких земель, приводят к необходимости вносить удобрения, как органические, так и минеральные, часть которых неизбежно водными потоками выносится в грунтовые воды и реки, увеличивая их загрязнение.
Иллювиальный горизонт в почве возник и сформировался как биогеохимический барьер, препятствующий интенсивным потокам воды и растворенных веществ из дерново-подзолистых почв в подстилающие грунты и грунтовые воды. Его разрушение при специальной обработке трудно признать экологически обоснованным. Факт грубого вмешательства в функционирование сложной почвенной системы слоев с резко различной водопроницаемостью подтверждается имеющимися наблюдениями о восстановлении малой водопроницаемости глубоких горизонтов через несколько лет после проведенных агромелиоративных мероприятий.
С другой стороны, сложно обеспечить интенсивное земледелие на угодьях с дерново-подзолистыми почвами, испытывающими периодическое переувлажнение. Кроме того, при обработке почвы во влажном состоянии с использованием тяжелой техники возможно образование антропогенных переуплотненных горизонтов.
Можно признать, что агромелиоративные мероприятия могут быть применены как средство борьбы с периодическим переувлажнением земель сельскохозяйственного назначения для обеспечения лучших условий для роста растений. Важно учитывать, что отрицательными эффектами могут быть повышение промываемости почвы и повышенные нормы удобрений для компенсации снижения плодородия, а также загрязнение грунтовых вод. Агромелиоративные мероприятия должно проводиться после соответствующих обоснований, подтверждающих реальное негативное влияние верховодки на рост и развитие конкретной сельскохозяйственной культуры.
Применение тех или иных технологий во многом зависит от свойств осушаемых почв. Так, чизелевание - агромелиоративное мероприятие, направленное на разрушение уплотненных водоупорных подпахотных горизонтов до глубины 40...45 см и увеличение внутрипочвенного стока. Оно осуществляется с помощью специальных чизельных плугов. Их основным рабочим органом являются узкие стойки и лемеха, которые производят пассивное безотвальное механическое разрыхление подпахотных слоев почвенного профиля. В рассматриваемых автором условиях водоупорный горизонт залегает с глубины 55.. .60 см, поэтому чизелевание на этих почвах не подойдет.
