К землям, имеющим неблагоприятный для сельскохозяйственных растений водный режим и нуждающимся в мелиорации, относятся избыточно увлажненные земельные участки. Общая площадь таких земель на территории бывшего СССР составляет примерно 235 млн га, в том числе болот и заболоченных земель - 190 млн га., минеральных постоянно или временно увлажненных земель (поймы рек, подтопляемые земли в зонах водохранилищ и озер) - 45 млн га. Значительные площади избыточно увлажненных земель находятся в зоне тундры и лесной зоне, причем на долю заболоченных и болотных почв в таежной и таежнолесной зонах приходится 19-26 % от всей площади зоны. Для сельскохозяйственного использования пригодно примерно 135 млн га избыточно увлажненных земель, тогда как доля сельскохозяйственных угодий России составляет 24 % от площади всех болотных и полуболотных почв .
Осушение избыточно увлажненных земель в зависимости от типов водного питания и причин избыточного увлажнения осуществляют путем понижения уровня грунтовых вод, снижения их напорности, ускорения стока поверхностных вод и отвода воды из пахотного горизонта, ограждением осушаемой территории от притока со стороны поверхностных и грунтовых вод. Для этого используют различные виды дренажа (горизонтальный и вертикальный) и открытые каналы. Пахотные земли осушают преимущественно закрытым горизонтальным дренажем.
На любом объекте землепользования вследствие многообразия типов водного питания и причин избыточного увлажнения применяют нс один, а несколько методов и способов осушения в различных сочетаниях.
Осушением избыточно увлажненных земель регулируется водновоздушный режим корнеобитаемого слоя почвы. Однако такие земли остаются неплодородными и неокультуренными и, как следствие, не подготовленными для получения на них высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Поэтому осушение рассматривается как начало работ по мелиорации болотных земель. После осушения в целях превращения этих земель в сельскохозяйственные угодья проводят комплекс куль- туртехнических мероприятий, таких как подготовка или улучшение рельефа земельного участка, создание и окультуривание пахотного слоя.
Применение комплекса агротехнических и мелиоративных приемов, таких как внесение оптимальных доз удобрений, рыхление и увлажнение почв, дает возможность ежегодно получать высокие и устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур. Так, осушаемые земли многих областей Нечерноземной зоны России при доле в 3(М0 % от общих пахотных земель обеспечивают сбор урожая льна, многолетних трав, картофеля и корнеплодов, составляющий от 50 до 70 % отвалового.
При правильной эксплуатации и интенсивном использовании осушаемых земель затраты на строительство осушительных систем окупаются за 7-10 лет.
Однако при неправильном режиме осушения на территориях наблюдается понижение до недопустимых пределов уровня грунтовых вод, что вызывает псреосушку земель, ветровую эрозию, быструю минерализацию торфа, изменение количественного состава вод, растительного покрова и животного мира.
Осушение избыточного увлажнения земель сочетают с орошением, необходимым для нормального роста и развития сельскохозяйственных культур, страдающих в летние периоды от недостатка влаги в корнеобитаемом слое почвы. Гарантированное водообеспечение осушаемых болот предохраняет торфяные почвы от возможных пожаров, возникновение которых вызывается способностью торфа самовозгораться в результате разложения органического вещества при благоприятном для этого температурном режиме и влажности торфа. Современная осушительно- увлажнительная система состоит из двух частей: осушительной и увлажнительной, обеспечивающей подачу растениям дополнительной влаги в засушливые периоды.
Осушение земель относят к виду осушительной мелиорации, и оно заключается в удалении из них избыточной грунтовой влаги, а также поверхностной воды, в том числе на болотах и заболоченных землях. При правильном проведении осушительной мелиорации достигается высокая продуктивность сельскохозяйственных и лесных угодий. При пересушке земель происходит деградация почв. В них, особенно в торфах, истощаются запасы органики, растения испытывают дефицит влаги. Возникает также опасность возникновения пожаров.
Внешним признаком земель, для нормального использования которых необходимы осушительные мелиорации, является избыточная увлажненность корнеобитаемого слоя. Главнейшие виды избыточного увлажнения земель: минеральные постоянно или временно избыточно увлажненные земли, заболоченные земли и болота.
Избыточно увлажненные минеральные земли - это территории, на которых широко развит дерново-подзолистый процесс почвообразования и которые подвержены периодическому переувлажнению (весной, осенью и летом в период затяжных дождей), в результате чего задерживаются сроки проведения полевых работ, наблюдаются изреженность всходов и вымочки посевов, что в общей сложности приводит к снижению или полной гибели урожая. Осушение таких земель целесообразно проводить периодически, в зависимости от вида выращиваемых культур, при этом необходимо осуществлять контроль влагосодержания в почве.
Заболоченными называются земли, избыточное увлажнение которых привело к развитию на них влаголюбивой растительности и началу процесса торфообразования (слой торфа с поверхности менее 30 см).Целесообразность их осушения устанавливают в зависимости от почвообразующих факторов и характера сельскохозяйственного использования. Наибольшие площади заболоченных земель находятсяв северных районах, где количество осадков обычно преобладает над испарением.
Болото - это обособленный участок поверхности земли с постоянным избыточным увлажнением, с типичной гидрофильной растительностью, на которой накапливается органическое вещество, т.е. идет процесс торфообразования. Болота в зависимости от их расположения в рельефе и вида слагающего торфа делят на низинные (евтрофные), переходные (мезотрофные) и верховые (олиготрофные). Для земледелия наиболее ценны низинные болота, сложенные осоковыми, ольховыми и другими видами травянистых и древесных торфов, высокозольных и хорошо разложившихся.
Низинные болота (рис. 3.2.1) образуются обычно на пониженных элементах рельефа, в прибрежной полосе озер и в поймах рек и имеют вогнутую поверхность. Процесс зарастания водоемов начинается с отложения на его дне аморфного торфа и ила, называемого сапропелем. На этом слое, начиная от берегов, развивается и отмирает характерная растительность, зеленый (гипновый) мох, заполняя постепенно водоем. Кроме поверхностных вод, болото питается еще и грунтовыми водами, богатыми минеральными частицами грунта. Поэтому зольность (содержание минеральных частиц в процентах к сухому весу) низинного болота значительна и достигает 10-20%. Мощность торфа в низинных болотах колеблется в широких пределах 7-10 м.
В отличие от низинного, верховые болота (рис. 3.2.1) представляют собой выпуклую поверхность с бедной растительностью и белым мхом (сфагнум). Формируются верховые болота на повышенных участках - водораздельных плато, сложенных тяжелыми грунтами, в котловинах и западинах береговых террас в условиях увлажнения атмосферными осадками.
На эти болота не поступают питательные вещества с грунтовыми и поверхностными водами. Верховые болота являются самостоятельными образованиями или представляют заключительную стадию развития низинных болот по мере нарастания торфяной толщи и потери связи с грунтовыми водами. Торф верховых болот характеризуется низкой степенью зольности (2-5%), слабой степенью разложения, кислой реакцией, большой влагоемкостью. После осушения торф верховых болот используется на топливо или для подстилки в животноводческих помещениях, а после обогащения органическими веществами - для удобрений полей.
Переходные болота характеризуются свойствами, промежуточными между верховыми и низинными болотами. Здесь можно встретить зеленый и белый мох, багульник, клюкву, морошку. Зольность торфа в переходных болотах составляет 5-10%. После осушения, при сельскохозяйственном использовании земли этих болот, требуют внесения удобрений и извести.
Рис.3.2.1. Типы болот: 1-верховое болото; 2 - переходное болото; 3 -низинное болото;
4 – сапропель
3.2.2. Требования сельскохозяйственного производства к водно-воздушному режиму почвы. Норма осушения сельскохозяйственных земель. Способы осушения
Для роста и развития сельскохозяйственных культур необходимы свет, тепло, воздух, вода и питательные элементы, причем ни один из этих факторов не может быть заменен другим. Свет и тепло являются космическими факторами, и человек не может управлять ими; остальными же факторами он может управлять, для чего необходимо знать условия, предъявляемые растением к внешней среде (продолжительность затопления, потребность в воде, воздухе и элементах пищи).
Затопление осушаемых земель весенним половодьем не допускается при использовании их под озимые культуры. Продолжительность затопления многолетних трав не должна превышать 20-25 суток. Чем меньше слой затопления и выше температура воды, тем короче допустимый срок затопления.
Затопление поверхности осушенных земель летними паводками в течение вегетационного периода без снижения урожайности сельскохозяйственных культур возможно не более чем на 0,5 суток для зерновых культур, 0,8 суток - для овощей, силосных культур, корнеплодов и 1-1,5 суток для многолетних трав на почвах тяжелого механического состава. Продолжительность отвода излишней воды из пахотного горизонта глубиной до 30 см в вегетационный период: для зерновых культур 1-2 суток, овощных 1-1,5 суток, трав 2-3 суток, из подпахотного слоя (30-50 см) независимо от культуры - за последующие 2- 3 суток, а из горизонта 50-80 см- еще за 4-5 суток. Чтобы обеспечить аэрацию, необходимую для дыхания корней и разложения органического вещества, в почве должен происходить постоянный газообмен, при котором весь объем воздуха в активном ее слое могбыобновляться в течение непродолжительного срока - 8 суток. Объем же воздуха, содержащийся в этом слое, должен составлять: для трав -не меньше 15-20% от скважности почвы или полной влагоемкости, для зерновых культур - не меньше 20-30 и для корнеплодов - не меньше 35- 40%. Следовательно, наибольшая влажность почвы в активном слое для трав должна быть около 80-85% от полной влагоемкости, для зерновых культур 70-80 и для корнеплодов 60- 65%. Влажность почвы зависит от уровня грунтовых вод, осадков, испарения, свойств почвы и агротехники.
Наиболее характерным показателем, от которого зависит влажность торфяной почвы, является уровень грунтовых вод. По определению А. Н. Костякова, уровень грунтовых вод, обеспечивающий наиболее благоприятный водно-воздушный режим почвы для той или иной культуры в течение вегетационного периода, называется нормой осушения .
Норма осушения сельскохозяйственных земель зависит от вида культур, водно-физических свойств почво-грунтов, периода года и погодных условий. Для растений, менее требовательных к условиям аэрации, имеющих неглубокую корневую систему и большое водопотребление она меньше; меньше она и для почв, обладающих небольшой высотой капиллярного поднятия, а также для более сухих и теплых лет.
Таблица 3.2.1
Величины норм осушения в см
Норма осушения для сельскохозяйственных культур зависит от типа культур, характера почв и достигает максимума в вегетационный период. В посевной период ее величину уменьшают на 20÷30%.
Способы осушения
Способы осушения - это технические и агротехнические приемы и средства, при помощи которых осуществляется тот или иной метод осушения. Способы осушения в зависимости от типа водного питания, почвенных, геологических условий и хозяйственного использования осушаемых земель рекомендуются следующие:
1. Осушение одиночными каналами и систематической открытой сетью на водопроницаемых минеральных почвах (пески, супеси, легкие суглинки).
2. Осушение открытыми каналами и закрытым горизонтальным дренажем в сочетании с агромелиоративными мероприятиями на слабоводопроницаемых минеральных почвах (тяжелые суглинки, глины).
3. Торфяники маломощные, подстилаемые слабопроницаемыми грунтами, осушаются под пашню и пастбища закрытым дренажем. Торфяники мощные (более 1,5÷2 м) предварительно осушаются открытыми каналами и кротовым дренажем, а затем после осадки торфа на них закладывается закрытый дренаж.
4. Торфяники безнапорного грунтового питания, подстилаемые водопроницаемыми грунтами (k> 5 м/сут), при использовании под пашню и пастбища осушаются открытыми каналами в сочетании с разреженным закрытым дренажем.
5. На объектах намывного водного питания (аллювиального и делювиального типов) применяется регулирование реки и устройство нагорно-ловчих и головных каналов. При нагонных водах применяется польдерный способ осушения.
6. Для борьбы с подтоплением при инфильтрационном питании применяют береговой, кольцевой и головной дренажи.
7. При грунтово-напорном водном питании применим вертикальный дренаж при соответствующих гидрогеологических условиях.
Мелиорация - основные понятия и определения. Цели и объекты осушительных мелиораций. Мелиорация как участник водохозяйственного комплекса.
Сельскохозяйственная мелиорация – комплекс технических, организационно-хозяйственных и социально-экономических мероприятий, направленных на коренное улучшение неблагоприятных природных условий и повышение плодородия почв с целью получения высоких устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
Мелиорация активно воздействует на развитие сельского хозяйства, способствует улучшению жизнедеятельности человека.
Мелиорация, изменяя водный режим почв в необходимом для сельскохозяйственного производства направлении, одновременно воздействует на воздушный, питательный, тепловой и агробиологический режимы почв, повышает их плодородие и создает условия для получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
Формирование избытка или недостатка влаги в почве зависит от зональных и местных топографических, гидрогеологических, гидрологических, почвенных и климатических факторов.
С помощью комплекса мелиоративных агротехнических культуртехнических и организационно-технических мероприятий человек изменяет в необходимом направлении неблагоприятное влияние на сельскохозяйственное производство местных факторов, а при охвате этими мероприятиями значительной территории изменяет и зональные факторы.
В разных зонах требуются неодинаковые мелиорации. В условиях избыточного увлажнения основные мелиоративные мероприятия направляют на удаление избытка воды, на усиление аэрации, повышение температуры почвы, на развитие аэробных процессов разложения и минерализации органического вещества. В условиях недостаточного увлажнения мелиоративные мероприятия направляют на восполнения недостатков влаги в почве, снижение испаряемости и температуры почвы, изменение микроклимата приземного слоя воздуха.
Агротехнические мероприятия состоят в выборе соответствующих схем севооборота, обеспечивающих плодородие почв с высокоурожайными, соответствующими природными условиями сортами культур, системы обработки и удобрений почвы.
Культуртехнические мероприятия включают в себя удаление кочек, кустарниковой и древесной растительности, камней, раскорчевку пней, планировку поверхности, известкование и гипсование почвы.
На засоленных или предрасположенных к засолению почвах выполняют мелиоративные, агротехнические и организационно-технические мероприятия по предупреждению и борьбе с засолением.
В задачи сельскохозяйственной мелиорации входят также предупреждение и борьба с эрозией почвы и оползанием откосов каналов, образующихся в результате мелиорации, а также вследствие природных условий бассейна.
Дальнейшее устойчивое увеличение производства сельскохозяйственной продукции возможно только за счет повышения урожайности на существующих землях и введения новых посевных площадей в результате их мелиорации.
Развитие мелиорации как средства повышения урожайности сельскохозяйственных культур неразрывно связано с развитием земледелия, ростом производительных сил, изменением производственных отношений, с его социальными условиями.
Большое значение придается улучшению охраны природы: сохранности сельскохозяйственных угодий, борьбе с эрозией, засолением, заболачиванием, подтоплением и иссушением почв; охране водных источников от истощения и загрязнения.
Особое внимание обращено на мелиорацию в переувлажненной зоне.
Осушительные мелиорации на сельскохозяйственных угодьях призваны активно и нормировано регулировать водный режим почв, создавая на них оптимальный водный и связанные с ним воздушный, тепловой и питательный режимы с целью повышения плодородия почв и обеспечения рационального ведения сельского хозяйства.
Осушительные мелиорации, являясь мощным антропогенным фактором почвообразования, приводят к образованию новых почв.
Осушительные мелиорации необходимы в зоне избыточного увлажнения, то есть в районах, где атмосферные осадки превышают испарение. Помимо этого, переувлажнение может быть следствием плохих условий для оттока избыточных вод. На водоразделах отток может быть затруднен из-за малого уклона поверхности, большой ее шероховатости, малой водонепроницаемости почв и грунтов. В пониженных местах переувлажнению способствует приток поверхностных и подземных вод и недостаточный их отток из-за слабой естественной дренированности территории: малые глубины и уклоны. Переувлажнению часто подвержены поймы рек. Оно может быть следствием деятельности человека: подтопление и периодическое затопление земель по берегам водохранилищ; уменьшение пропускной способности водотоков при строительстве мостов, дорог и дамб; уничтожение лесной растительности на склонах и др.
Важной проблемой для развития мелиорации и производительных сил страны является дефицит воды.
Орошаемое земледелие потребляет 143 млн. м 3 , или 45% общего количества воды, расходуемого в народном хозяйстве, и потребление ее в перспективе будет возрастать. Поэтому в настоящее время является актуальной проблема экономии и строгого нормирования потребления воды и борьба с потерями, что позволит повысить в зоне орошения урожаи, а также использовать воду для ввода дополнительных площадей орошаемых земель в сельскохозяйственное производство.
Для более эффективного использования воды, повышения коэффициента полезного действия систем и коэффициента земельного использования орошаемых земель каналы в земляном русле облицовывают, заменяют их трубопроводами, железобетонными лотками, применяют высокопроизводительную дождевальную технику, а также внедряют внутрипочвенные способы орошения.
Включение оросительных мелиораций в состав ВХК не всегда очевидно по ряду причин. С одной стороны, режим водопотребления растений зависит от погодных условий, и поэтому нельзя однозначно определить необходимое количество ресурса в каждый момент вегетации. Особенно контрастно это проявляется в зоне неустойчивого увлажнения. С другой стороны урожая орошаемого поля зависит не только от наличия водных ресурсов, но и от величины фотосинтетически активной радиации, теплового и питательного режимов, своевременности проведения агротехнических мероприятий и других факторов. Поэтому включение мелиорации в состав участников ВХК должно быть обосновано с учетом стохастической природы основных факторов, и в первую очередь водного.
Обоснование необходимости мелиорации можно сформулировать следующим образом: определить вероятность несовпадения условий внешней среды с оптимальным диапазоном требований растений в каждый момент вегетации.
Большое место в мелиорации занимает научно-технический прогресс. Созданы мелиоративные системы, обеспечивающие получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур; значительно повысился коэффициент земельного использования; уменьшились потери оросительной воды, повысился коэффициент полезного действия оросительных систем; улучшились условия для эффективного использования сельскохозяйственных машин; создается необходимый водно-солевой и другие режимы; большое внимание уделено автоматизации мелиоративных систем.
Мелиорация является общегосударственной и общенародной задачей. Она призвана осуществить повышение плодородия почв, защитить сельское хозяйство от неблагоприятных погодных условий, произвести коренную перестройку сельского хозяйства, повысить его интенсивность.
Мелиорация – это все виды работ, которые направлены на улучшение грунта и его большую отдачу в целях получения выгоды для человека. Как правило, эти работы действительно тесно связаны с сельским хозяйством, потому в этом направлении используются довольно внушительные средства и различные методы. Они могут заключаться как в обогащении грунта , так и в том, чтоб сделать его пригодным к использованию в целях получения урожая, то есть, очищению и выравниванию ландшафта.
Тем не менее, не нужно путать все эти методы с осушением грунтов .
Если высушивание их приводит к тому, что окружающая среда может в итоге пострадать, то мелиорация всегда подразумевает тесную связь с сохранностью всех природных резервов и систем как на обрабатываемом, так и на прилегающих участках.
Как правило, мелиорация сводится к освоению садовых и посевных участков. Так же она может осуществляться для улучшения грунта после его длительного использования в сельскохозяйственных целях.
Довольно часто эти методы используются в том случае, когда грунт подвержен разрушительному влиянию различных природных факторов. В любом случае, мелиорация не включает в себя исключительно эксплуатационные методы, а является средством увеличения производительности грунта без каких-либо негативных для окружающей среды последствий.
Мелиорация почв на определенном участке может вестись на протяжении довольно длительного времени. Но ее последствия для природы и людей сохраняются намного дольше, то есть, на протяжении десятков, а то и сотен лет.
Какие различают виды?
Мелиорация может включать в себя организационные, хозяйственные и технические мероприятия. Далеко не последнюю роль играет также грамотная логистика в осуществлении всех работ. К тому же, только специалисты высокого уровня могут определить необходимость осуществления тех или иных методов и их дальнейшее влияние на окружающую среду.
То, как именно будут осуществляться все работы по мелиорации, зависит от двух факторов :
- исходное состояние обрабатываемого участка;
- в каких целях будет проводиться мелиорация.
Основными видами мелиорации земель являются:
- гидромелиорация;
- агролесомелиорация;
- культурическая мелиорация;
- химическая мелиорация почв.
Гидротехническая мелиорация
Она проводится в тех случаях, когда необходимо стабилизировать водное обогащения грунтов и их оптимальное увлажнение. Методы гидротехнической, или водной мелиорации сельскохозяйственных земель, призваны устранять избыточную влагу на тех территориях, где это необходимо, а также обогащать влагой засушливые территории.
Водный, воздушный, тепловой и питательные режимы приводятся в норму, что обеспечивает повышенную плодородность грунтов и их лучшие показатели во всех отношениях.
Самые популярные методы гидромелиорации – это осушительный и оросительный.
Осушительная мелиорация сводится к тому, чтоб свести к норме избыточный уровень влаги на обрабатываемой местности. Оптимальный показатель влажности в грунте преимущественно достигается путем понижения уровня грунтовых вод. Норма осушения определяет уровень их понижения до того показателя, который обеспечит максимально благоприятные условия для растений. Для этого грунтовые воды отводятся от корнеобитаемого слоя по другим путям, по определенному плану.
Суть оросительной состоит в обратном. Все мероприятия по оросительной мелиорации состоят в том, чтобы увеличить уровень влаги на тех участках, которые испытывают недостаток природных водных ресурсов. В частности, все работы оптимизируют атмосферные, почвенные и гидрологические показатели. То есть, это орошение территории с целью увеличения ее плодородия.
Мелиорацию участка можно сделать и своими руками — смотрите интересное видео.
Культуртехническая мелиорация
Она осуществляется в тех случаях, когда грунт или участок просто-напросто нужно очистить от нежелательных предметов . Она может включать в себя огромный спектр различных работ. Но все они сводятся к тому, чтоб повысить «полезность» почвы, или сделать ее пригодной для обработки.
Этот вид улучшения почвы обеспечивает необходимость периодически проводить даже на постоянно обрабатываемых полях, так как они со временем засоряются камнями и нежелательными растениями. Это приводит к понижению урожайности почвы, порче деталей сельскохозяйственной техники и неправильному сбору урожая, так как содержание камней в почве делает сбор урожая на повышенных стеблях. А зарастание территории сорняковыми растениями значительно уменьшает ее полезную площадь.
Также различные работы по очистке и оптимизации территории осуществляется с целью непригодных для сельского хозяйства территорий улучшить их условия. Для этого производится очистка земель от нежелательной растительности, пней, кочек, камней. Также рыхление, пескование почвы, а так же другие мелиоративные работы.
Химическая мелиорация
Этот вид земельной мелиорации и все работы по ее реализации сводятся к тому, чтоб улучшить химический и минеральный состав почвы, изначально непригодной или малопригодной для хороших показателей урожайности.
Основные виды химической мелиорации, во-первых, обеспечивают удаление из почвы вредных для растений химических веществ, а во-вторых, обогащают ее полезными элементами.
При этом, существует три самых распространенных способа химической мелиорации , такие как:
- Известкование (обогащение почвы известковыми удобрениями). В основном этот метод применяется для нечерноземных почв;
- Гипсование (в почву вносится гипс, который понижает щелочность ее состава). Метод актуален для солонцов;
- Кислование (почва подкисляется) Чаще всего в этом методе нуждается грунт, на котором планируется выращивание чая.
Кроме того, практически каждая почва нуждается в обогащении химическими удобрениями. Этот вид сельскохозяйственных работ так же относится к одному из методов химической мелиорации земель.
В учебном пособии рассмотрены основные виды мелиорации почв, строение осушительной и оросительной системы, типы и химизм засоления почв и способы их мелиорации, вопросы агролесомелиорации.
3 Мелиорация избыточно увлажненных почв: осушительные мелиорации
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
Заболоченные и болотные почвы возникают в результате действия разных причин заболачивания. Исходя из задач мелиорации и сельскохозяйственного производства, под причиной заболачивания понимают такой гидрологический фактор (факторы), который вызывает длительный анаэробиоз, обусловленный застоем влаги в горизонтах почвенного профиля. Он приводит к угнетению или гибели сельскохозяйственных культур, возникновению характерных признаков почвенного гидроморфизма, ухудшению условий проведения сельскохозяйственных и других работ. Устранение этих причин с помощью гидротехнических и агромелиоративных мероприятий создает благоприятные условия для роста и развития сельскохозяйственных культур и выполнения полевых работ. Заболоченные и болотные почвы, входящие в обширную группу гидроморфных почв, формируются под влиянием главным образом пяти гидрологических факторов: атмосферных, намывных склоновых, намывных русловых, грунтовых и грунтово-напорных вод (рисунок 3.8).
Кроме того, заболоченные и болотные почвы могут возникать в результате зарастания водоемов или под влиянием биогенного заболачивания . Таким образом, заболоченные и болотные почвы образуются под действием семи факторов (или семи причин) заболачивания (пяти гидрологических факторов заболачивания суши, зарастания водоемов и биогенного заболачивания).
Рисунок 3.8 – Гидрологические причины заболачивания почв суши
В мелиоративном отношении диагностика причин заболачивания почв представляет существенный интерес, поскольку они определяют метод осушения, ту принципиальную направленность мелиоративных мероприятий (например, понижение уровня грунтовых вод при заболачивании почв грунтовыми водами, ускорение поверхностного и внутрипочвенного стока при заболачивании намывными склоновыми водами и т.д.).
Наблюдается определенная зональность причин заболачивания. Так, на севере, в холодном поясе, возникновение гидроморфных почв связано исключительно с влиянием осадков, вызывающих формирование надмерзлотной верховодки. В умеренно теплом поясе в пределах огромных зандровых равнин доминируют гидроморфные почвы, возникшие под влиянием грунтовых вод. На моренных, озерно-ледниковых, пермских, покровных суглинках и глинах водоразделов распространены преимущественно почвы, заболоченные намывными склоновыми водами. В лесостепной зоне заболачивание почв вызвано главным образом выклиниванием грунтовых и напорных вод в поймах рек. Причины заболачивания почв тесно связаны с геологическим и геоморфологическим строением территории, растительным покровом.
3.4.1 Признаки заболачивания почв грунтовыми и напорными водами
Проходя через толщу рыхлых или сильнотрещиноватых отложений, грунтовые и напорные воды в местах выклинивания разгружаются от ранее выщелоченных и растворенных соединений. Поэтому аккумуляция в почвах различных солей часто является надежным диагностическим признаком заболачивания почв грунтовыми, грунтово – напорными или напорными водами. В районах гумидного климата в зонах грунтового заболачивания откладываются обильные скопления окиси железа, карбонатов кальция и магния, реже гипса. Железистые соединения часто возникают в почвах в тех случаях, когда водосборная площадь бассейна образована песчаными почвогрунтами и особенно когда подземные воды мигрируют по породам, содержащим сульфиды, карбонаты и гидроокиси железа. Фильтруясь через такие почвогрунты, осадки в условиях господствующего на этой территории глееобразования растворяют пленки окиси железа и в виде закисных железоорганических и минеральных солей приносят эти соединения в грунтовый поток. В зонах аэрации эти формы двухвалентного железа подвергаются интенсивному окислению и выпадают в осадок в виде гидроокиси железа. При последующей дегидратации в местах скопления гидроокиси формируются прослойки болотной руды, нередко достигающие большой мощности (нескольких дециметров). Аккумуляция карбонатов в виде болотного мергеля, туфа, конкреций и других образований происходит в тех случаях, когда грунтовые или напорные воды проходят сквозь толщу трещиноватых известняков или рыхлых четвертичных отложений, обогащенных обломками известняковых пород. В этом случае подземные воды транспортируют кальциевые и магниевые соли в виде бикарбонатов, которые удерживаются в растворе лишь при высокой концентрации свободной углекислоты. В зоне разгрузки этих вод происходит резкое уменьшение парциального давления углекислоты; бикарбонаты переходят в карбонаты и выпадают в осадок.
Поэтому в почвах, заболоченных грунтовыми и напорными водами, возникают своеобразные новообразования, имеющие важное диагностическое значение при мелиоративных изысканиях и исследованиях.
Почвы, заболоченные грунтовыми водами, развиваются под покровом специфической растительности. Так, в зоне южной тайги в притеррасных депрессиях широко распространены сообщества черной ольхи, ивы и березы. На ольховых коблах произрастают таволга вязолистная, черная смородина, крапива жгучая. Деревья часто обвиты хмелем. Между коблами осоки дернистая, острая и другие образуют редкие кочки значительной высоты, а в сильно обводненных участках – сабельник болотный, вахта трехлистная, калужница болотная, белокрыльник болотный, манник наплывающий, осоки пузырчатая, ложносытевая. Этот растительный покров обычно приурочен к минеральным почвам ольховых топей, а также к хорошо разложившимся высокозольным торфяным почвам, обогащенным элементами зольного и азотного питания.
При заболачивании менее минерализованными грунтовыми водами часто поселяются березово-травяные сообщества и сообщества крупных кочкарных осок. На осоковых кочках растут вероника длиннолистная, вербейник обыкновенный, валериана лекарственная. В этом сообществе наряду с высокорослым разнотравьем поселяются тростник обыкновенный и различные виды вейника. Тростниковые сообщества, образованные тростником, рогозом широколистным и узколистным, камышом озерным, обычно приурочены к участкам с проточной водой.
В местах выклинивания жестких грунтовых вод поселяются гипновомоховые сообщества; в условиях заболачивания мягкими водами на болотных почвах – осоково-гипновые и гипново-осоковые, на минеральных – влажные сообщества белоуса, сообщества мелких осок и др.
Однако растительность не является исключительным индикатором причин заболачивания, так как нередко в условиях различного заболачивания встречаются близкие ассоциации и в однородных условиях – различные сообщества.
3.4.2 Признаки заболачивания почв атмосферными и намывными склоновыми водами
Атмосферные и намывные склоновые воды поступают непосредственно на рассматриваемую территорию или проходят относительно короткий путь по поверхности водосбора. Их химический состав и количество влекомого мелкозема определяются величиной, составом пород и характером водосбора.
Водный режим почв, заболоченных атмосферными и намывными склоновыми водами, отличается выраженной сезонной цикличностью. Их обильная обводненность во время выпадения осадков и весеннего снеготаяния сменяется резким падением уровня верховодки или ее полным исчезновением в засушливый период. Почвы, заболоченные атмосферными и намывными склоновыми водами, обычно приурочены к массивам, образованным породами суглинистого и глинистого механического состава. Вместе с тем почвы с таким заболачиванием могут быть приурочены и к породам с двучленным строением (верхний легкий нанос песчаного или супесчаного гранулометрического состава подстилается кислыми, карбонатными моренными или покровными суглинками и глинами).
На севере в холодном поясе надмерзлотная верховодка может формироваться в почвах, приуроченных к любым породам. Генезис этих почвообразующих пород различен.
В Приуралье почвы, заболоченные поверхностными, преимущественно намывными склоновыми водами, формируются на суглинистом и глинистом красноцветном элювии карбонатных пермских пород.
Широкое распространение в срединной части зоны получили почвы, приуроченные к флювиогляциальным пескам, подстилаемым на небольшой глубине моренными суглинками.
Формирование и развитие почв под влиянием поверхностного заболачивания протекают под покровом малотребовательных к условиям зольного питания растительных ассоциаций – злаково-разнотравно-мелкотравных, влажных мелкоосоковых, осоково-вейниковых и др.
Конец ознакомительного фрагмента.
