Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
МЕТОДЫ МЕЛИОРАЦИИ ДЛИТЕЛЬНО-МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат диссертации по теме "МЕТОДЫ МЕЛИОРАЦИИ ДЛИТЕЛЬНО-МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ"
-ЪвЖ
На правах рукописи
НОВОХАТИН Василий Васильевич
МЕТОДЫ МЕЛИОРАЦИИ Д ЛИТЕЛЬНО-МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Специальность: 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание учёной степени доктора технических наук
Москва —2006 г.
Работа выполнена в ГНУ научно-исследовательском институте сельского
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,
Ведущая организация: . • Сибирский научно- исследовательский
институт сельского хозяйства и торфа Сибирского отделения РАСХН
Защита состоится 27 июня 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006,038.01 во Всероссийском научно- исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВНИИ^иМ) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая, д. 44.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова
! .
*
Авторефера разослан « ■ж мая 2006 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
хозяйства Северного Зауралья.
доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Маслов Борис Степанович доктор технических наук, профессор Никитеаков Борис Фёдорович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Зайдельман Феликс Рувимович
кандидат технических наук
Е.Л. Ворожцова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Региональные особенности почвенно-клнматическкх условий Западной Сибири, глубокое длительное промерзание, недостаточная теплообеспеченность в период активной вегетации сельскохозяйственных культур, а также слабая изученность вопросов мелиорации и отсутствие научно обоснованных рекомендаций по осушению и освоению торфяных почв создают значительные трудности для их эффективного использования.
Разработка ресурсосберегающих технологий мелиорации длительно-мерзлотных почв, обеспечивающих оптимизацию почвенных режимов, в частности, эффективность действия мелиоративных комплексов в ранние весенние периоды является актуальной задачей для рассматриваемого региона.
Разработка и выявление адаптированных к условиям Западной Сибири методов мелиорации болотных систем является важным условием не только экономии энергетических, трудовых и материальных ресурсов, но и сохранения почвенного плодородия. В настоящее время значительная часть осушаемых торфяных почв, которых насчитывается в Западной Сибири свыше 300 тыс. га, не используется в сельскохозяйственном производстве вследствие длительного или кратковременного переувлажнения, в силу чего-на—довольно большой площади требуется проведение комплекса гидромелиоративных мероприятий с целью обеспечения проектной урожайности сельскохозяйственных-культур. Всем этим определяется необходимость научного подхода к решению сложных задач, возникающих при мелиоративном освоении таких угодий и подтверждается актуальность принятого нами направления исследований*. ' ^
Цель исследований: научное обоснование методов и способов мелиорации длительно сезонно-мерзлотных почв болотных систем с установлением оптимальных параметров и основных критериев их оценки, обеспечивающих экологическую безопасность я стабилизацию устойчивого сельскохозяйственного производства, а также прогнозирование динамики трансформации торфяных залежей при их мелиорации.
Задачи исследований:
- проанализировать и обобщить теоретические и экспериментальные материалы о технологиях регулирования гидротермического режима гидроморф-ных почв в нашей стране и за рубежом, о природе болот (генезисе, свойств основных компонентов);
- установить особенности формирования элементов гидрологического режима осушаемых болотных комплексов надпойменных террас ЗападноСибирской низменности;
- обосновать влияние гидротехнических мелиораций на процессы криогене-за длительно-мерзлотных торфяных почв, i]iu|ii ицм щ ним ц питч и и fli 11 in 11 корнеобитаемой зоны, разработать cnocogii i'ii [М'^Ц.ЦЬ прогнозирования,
оценить фильтрационные способности мёрзлых торфов и предложить метод расчёта;
- определить влияние гидротехнических мелиорации на динамику водно-физических свойств длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв Западной Сибири й-устамовшъ основные причины их деградации;
- - разработать адаптивный мелиоративный комплекс для осушения длительно с езон ко-мерз лота ых почв болотных систем с грунтово-напорным типом водного питания;
- обосновать инженерно-экономическим» и энергетическими расчётами эффективные способы мелиорации длительно сезонно-мерзлотных почв.
Научная новизна:
- впервые для условий подзон лесостепи и подтайги Западной Сибири научно обоснованы методы и способы мелиорации длительно сезон но-мерзлотных торфяных почв с позиций взаимосвязи элементов гидротермнческого режима органогенных почв, криогенных процессов и экологической безопасности болотных ландшафтов, разработан адаптивный мелиоративный комплекс для осушения болотных ландшафтов, который включает: мелиоративную систему, снегозадержание и профилирование поверхности для регулирования поверхностного стока, структурную мелиорацию для регулирования температурного режима корнеобитаемого слоя почвы;
- экспериментально обоснована высокая эффективность конструкций закрытых дренажных систем и целесообразность увеличения глубины заложения дрен при осушении длительно с езонно-мерзлотных почв с грунтово-напорным типом водного питания в условиях Западной Сибири, предлагаются их оптимальные параметры и расчётные периоды действия. На основе водного баланса изучена роль грунтово-напорных вод в водном питании болотных систем данного региона, залегающих на низкого уровня надпойменных террасах. Установлены закономерности изменения дренажного стока при атмосферно-склоыовон и грунтово-напорном типах водного питания;
- изучено влияние гидротехнических мелиораций на криогенные процессы в длительно сезонно-мерзлотных торфяных почвах. Разработаны расчётные зависимости для прогнозирования их развития. Установлена региональная специфика весеннего перераспределения влаги в осушаемых длительно сезонно-мерзлотных почвах, которая должна учитываться при расчёте гидротехнических сооружений и описании природных процессов. Разработана методика расчёта и прогнозирования фильтрационной способности мёрзлых торфов;
- установлена роль осушительных мелиораций в формировании термического режима длительно сезонно-мерзлотных почв. Предлагается метод расчёта и прогнозирования температурного режима корнеобитаемой зоны торфяных почв в вегетационный период;
- выявлены закономерности динамики водно-физических свойств и гидротермических режимов длительно мерзлотных торфяных почв в подзонах лесо-
степи н подтайш Западной Сибири под влиянием осушительных мелиорзций н разработаны зависимости, позволяющие их прогнозировать;
- дана инженерно-экономическая и энергетическая оценка эффективности способов мелиорации длительно сеэонно-мерзлотных торфяных по.чв Западной Сибири.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Научно-экспериментальное обоснование методов и способов мелиорации длительно-мерзлотных почв болотных систем Западной Сибири, обеспечивающих повышение продуктивности осушаемых почв с позиций взаимосвязи элементов гидротермического режима органогенных почв, криогенных процессов и экологической безопасности болотных ландшафтов,
2. Обоснование параметров дренажных систем при осушении длительно се-зонно-мерзлотных почв, позволяющих поддерживать оптимальные: водно-воздушный, температурный и пищевой режимы почв болотных систем.
3. Закономерности формирования пщротермического режима органогенных почв, криогенных процессов, водно-физических свойств торфяных почв при проведении мелиорации.
4. Методика расчёта и прогнозирования фильтрационной способности мёрзлых торфов,
5. Технические решения, направленные на повышение эффективности гидротехнической мелиорации почв болотных ландшафтов надпойменных террас рек Западно-Сибирской низменности, формулы расчёта элементов водного баланса.
Практическая Ценность и реализация научно-нселедовзтельскнх данных. Результаты исследований использовались при подготовке рекомендаций: «Расчёт водного режима при проектировании осушения на мощных и средне-мощных низинных торфяниках Тюменской области» (1981), «Система ведения сельского хозяйства Тюменской области» (¡987) и «Зональная система земледелия Тюменской области» (1989), Реализованы в более 30 проектах осушительных систем, разрабатываемых институтом «Тюмеиьгипроводхоз» и ФГУП «Тюменьводхоз», используются при строительстве и эксплуатации водохозяйственных и мелиоративных объектов в Тюменской области. Ряд положений диссертации применяются «Главным управлением охраны природы по Тюменской области» при проведении экспертизы проектов осушения.
Использование полученных результатов позволяет эффективно осваивать болотные почвы Западной Сибири и капитальные вложения при их мелиорации.
Личный вклад. Постановка цели, задач и вопросов исследований, выбор путей их теоретического и экспериментального решения, анализ результатов исследований, выводы и предложения в диссертационной работе выполнены лично автором.
Автор выражает глубокую признательность за ценные советы и научные консультации заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику РАСХН,
д.т. н.Х.С. Масло ву, д.т.н. К.В. Губеру, д.т.н. Л .В. Кирейчевой, д.г.н. В.М, Калинину, д.'с-х.а. А'.С. Моторику, д.б.н. В.Л. Телнцыну, д.с-х.н. В,А. Федоткину.
Апробация работы. Основные теоретические положения и материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на совещаниях, научных конференциях, на заседаниях секций и учёных советов научно-исследовательских и учебных ¡институтов про води вил ixch в Москве, Красноярске, Кургане, Омске, Ставрополе, Тюмени.
Наибольшее количество докладов было сделано в рамках заседаний учёного совета Западно-Сибирского филиала ВНИИГиМ (1978-1991 гг.), ЗападноСибирского НИИ Мелиорации и рационального природопользования (19921996 гг.), научно-технических советов Тюменьгипроводхоза, ФГУП Тюмень-водхоза, секции осушения ВНИИГиМ (г. Москва).
Основные положения диссертации докладывались на региональных и зональных научно-практических конференциях по мелиораци земель Западной Сибири и пути повышения их использования (1978), по повышению эффективности сельскохозяйственного производства, которые проводились Тюменской сельхозакадемией и НИИСХ Северного Зауралья (г. Тюмень, 1979, 1930, 1982, 1933, 1990-1999), на научно-практической конференции по водохозяйственному строительству (г. Омск, 1990), региональном заседании секции осушения ВАСХНИЛ (г. Тюмень, 1981), на координационном совещании по вопросам надёжности я эффективности действия осушительных систем в экстремальных природных условиях (г. Хоби, Грузия, 1984), иа международной конференции по проблемам сохранения и деградации почв (г. Ставрополь, 2003).
Основное содержание работы опубликовано в 35 статьях общим объёмом около 12 п.л.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, рекомендаций производству; изложена на 363 страницах, содержит 41 рисунок, 41 таблицу и 30 приложений. Список литературы включает 493 наименования, в том числе 21 работа зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ. Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, а также новизна полученных результатов. Показана практическая значимость выполненной работы, приведены сведения об использовании основных результатов работы в практике проектирования мелиоративных систем и освоения болотных комплексов.
1. СОСТОЯНИЕ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ МЕЛИОРАТИВНОГО ОСВОЕНИЯ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ '
В главе проведён ретроспективный анализ технологий мелиорацин болотных ландшафтов, установления расчётных периодов действия мелиоративных
б
систем, влияния способов мелиорации на криогенные процессы в торфяных почвах. Показано, что для мелиорации болотных комплексов, как в России, так и за рубежом применяется достаточно широкий спектр технологических приёмов из них наиболее прогрессивным является закрытый дренаж.
Теоретические исследования по вопросам разработки и совершенствования ресурсосберегающих методов и способов мелиорации почв болотных систем, их трансформации показали, что данная проблема многогранна м ею занимались многие отечественные и зарубежные учёные. Наиболее полно эти вопросы изучены в странах Прибалтики, Западной и Северо-Западной части Нечерноземной зоны России. Исследованиям методов и способов мелиорации переувлажнённых почв и их применимости в различных климатических, гидрологических, геоморфологических, почвенно-гидрогеологическлх условиях посвящены труды Костикова, Аверьянова, Маслова, Ивицкого, Янголя, Бишофа, Митина, Нестеренко, Томберга, Шуравилнна, Черненка и др. Несмотря на длительную историю изучения Некоторых аспектов применения технологий мелиорации болотных почв сохраняются дискуссионные моменты. На наш взгляд это связано с тем, что оценка их эффективности это процесс многофакторный, выбор приоритетного сочетания которых способствует"Доминированию той или иной точек зрения на рассматриваемый вопрос.
Проведённый анализ методов и способов расчёта криогенных процессов в торфяных почвах,, разработанных в трудах Бишофа, Доманицкого, Дубаха, Ка-чинского, Печкурова, Романова, Сребрянскон, Штыкова, и др, показал, что их реализация в специфических условиях малоизученных районов Западной Сибири нуждается в дополнительных исследованиях, адаптации, корректировке и уточнении на основе полевых, научных, экспериментальных работ и наблюдений. Что касается освоения болотных систем с грунтово-напорным типом водного питания, в обширном Западно-Сибирском регионе, таких исследований не проводилось. Поэтому разработка и внедрение адаптированного, ресурсосберегающего мелиоративного комплекса, обеспечивающего создание оптимального гидротермического режима на длительно сезонно-мерзлотных почвах болотных систем является актуальной проблемой для Западно- Сибирского реп ю на.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОБОСНОВАНИЯ МЕТОДОВ МЕЛИОРАЦИИ ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ
По концентрации болот, их расположению и интенсивности болотообразо-вания, начавшегося ещё в начале голоцена и активно продолжающегося в настоящее время, Западная Сибирь не имеет аналогов. Крупные массивы болот, соединяясь между собой, образуют целые системы, занимающие огромные площади. Ге о лого-геоморфологический фактор в сочетании с мерзлотным и постоянное переувлажнение служат определяющими в существовании и разви-
тии болотных комплексов в естественном режиме эволюции. Современные торфяники являются важной частью биосферы и имеют огромное значение для сохранения экологического равновесия в природе.
Изменившиеся в последнее время представления о главных природных .причинах заболоченности региона и путях их преодоления ставят проблему комплексного использования территории. Эта проблема охватывает широкий круг теоретических, научно-практических и прикладных вопросов в области теории фПдьтрацмят" гидродинамики, телло-влагопереноса, водобалансоеых методов расчета и др. Их решение поможет создать экономически и экологически наиболее эффективные системы, обеспечивающие выход плановой сельскохозяйственной продукции, найти оптимальные пути рационального использования и освоения земельных ресурсов Западной Сибири.
Продуктивность мелиорируемых болотных систем в значительной мере определяется их гидрологическим режимом. Формированием водного режима обусловлены температурный, воздушный, пищевой и др. режимы, а также почвообразовательные процессы, наблюдаемые в природных геосистемах.
Теоретической и методической основой решения гидрологических задач в ■ сельскохозяйственной мелиорации является метод водного баланса. Для количественной оценки кругооборота воды на мелиорируемых землях предложены уравнения водного баланса (Аверьянов, 1978; Айдаров и Др., 1990):
для поверхностных вод— А1У, = -5^+11-0, (1)
для почвенных вод (зона аэрации) -Д1Г, = Вп , (2)
для грунтовых вод - AЩ=П-0±g+ р, (3)
общее- £Д(Г-ДГР,±Л№1±ДИ'3, (4)
где: изменение запасов поверхностных, почвенных,
грунтовых вод и общее на мелиорируемом массиве за рассматриваемый промежуток времени, мм; ж- атмосферные осадки, мм; ЕП,Е- испарение с поверхности открытой воды, снега и суммарное испарение, мм; П,О- поверхностный приток и отток воды, мм; П,0- приток и отток грунтовых вод, мм; Вп - впитывание в почву, мм; водообмен грунтовых вод с почвой (положительное направление вверх), мм; р - водообмен грунтовых вод с подземными, мм.
Совместное решение этих уравнений позволяет определить точные количественные характеристики составляющих водного режима осушаемого массива. Специфические природные условия территории Западной Сибири (высокая заболоченность и обводнённость при низких температурах воздуха в течение большей части года) требуют корректировки и уточнения теоретических и экспериментальных разработок по вопросам: мелиоративной гидрологии, развития криогенных процессов почв, сработки органического вещества, освоения болотных ландшафтов и т.д. используемых в других гумидных зонах страны.
Последнее, возможно лишь на основе проведения глубоких специальных исследований, учитывающих особенности природных условий рассматриваемого региона, и в первую очередь почвенно-геологических, гидрологических и метеорологических факторов, под влиянием которых формируются важнейшие: водно-тепловой и мерзлотный режимы территории. Прогноз возможных отрицательных последствий, с целью их предотвращения или ослабления, особенно актуален в Западной Сибири в связи с особой ранимостью пр"йант^опогенных нагрузках экосистем, сложившихся в условиях глубокого сезонного промерзания. Решение этой проблемы требует количественной характеристики процессов, что связано с. широким применением математических методов. Неудовлетворительный тепловой режим, наличие длительных мерзлотных явлений вызывает необходимость бережливого отношения к природной среде минимального нарушения существующего равновесия в экологической системе. В связи с этим нами предлагается концептуальная модель мелиоративного освоения болотных ландшафтов Западной Сибири, состоящая из отдельных технологических систем (рис.1). Она позволяет проводить-системный сбор информации в соответствии с программными целями, определёнными направлениями исследований. Данная модель не претендует на всю полноту информации о существующих природных процессах и антропогенном воздействии на них, но в ней в достаточно необходимой степени рассмотрены технологические аспекты, информационные и функциональные связи основных почвенных, гидрологических и других режимов и определяющих их факторов.
Известно, что мелиоративное освоение болотных ландшафтов вызывает антропогенное воздействие на окружающую среду. Бесконтрольное и безграмотное использование торфяных месторождений может создать угрозу их полной и невосполнимой деградации. Научные разработки последних лет в области-экологической безопасности гидроморфных почв, требуют переосмысления подходов к их мелиорации и сельскохозяйственному использованию.
3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования методов мелиоративного освоения лесоозёрно-болотных комплексов с атмосферно-склоновым и грунтово-напорным типом водного питания, залегающих на низких надпойменных террасах в подтаёжной и лесостепной подзонах Западной Сибири, характеризующихся длительными сезон-но-мерзлотными процессами, нами проводилось в течение 1978-2003 гг.
В период исследований (1978-2003 гг.) наблюдались влажные (32 %), средние (40 %) и засушливые (28 %) годы, а также годы различной теплообеспе-ченности: тёплые (40 %), средние (32 %) и холодные (7 %), что позволило объективно оценить методы мелиорации болотных почв, выявить их влияние на закономерности формирования почвенных режимов, элементы водного баланса, динамику водно-физических свойств.
?
Рис.1. Концептуальная информационно-функциональная модель ресурсосберегающих технологий мелиорации болотных ландшафтов.
Оценка типичности объектов исследований определялась, как вероятность их принадлежности к эталону выбранного класса объектов и вычислялась по формуле (Шабанов, 1971);
^П^-ПО-'..)]}' <5>
где: т- количество выбранных признаков; к, п- номера признаков соответственно первого и второго порядков.
Вероятность совпадения основных характеристик с эталонными диапазонами (Р) устанавливалась на основе описанных в литературе методов (Пугачёв, 1979; Шабанов, Рудаченко, 1971):
где:Ф- функция Лапласа; mxicrx - математическое ожидание и среднее квад-ратичсское отклонение оцениваемого параметра; а,Ь- верхняя~"ЕГнгпйняя границы эталонного интервала: а = »г-2<г> Ь = т + 3а.
Стационары являются типичными по природно-мелиоративным условиям, вероятность совпадения основных свойств болотных почв с .эталонными значениями достигает 87-90 %, Это позволяет распространять полученные результаты на другие объекты подзон лесостепи и подтайги Западной Сибири с ошибкой не более 8-13%,
Стационары подтаёжной подзоны представлены двумя участками. Первый опытный участок пластмассового дренажа, площадью 17,Ь гатзаложен в 1969 -1971 гг., дреноукладчиком ДПБН-1,8, Дрены уложены на глубину 0,9-1,1 м с расстояниями 20, 30 и 40 м. Длина осушительных дрен 150 м, уклон 0,002. Устья их выходят в открытые коллекторы глубиной 1,6-1,7 м. Здесь же изучался осушительный эффект открытой сети каналов с расстояниями между ними 200 м и глубниой 1,2 м.
Второй участок площадью 80 га, заложенный в 1977 г, занимает вторую надпойменную озёрно-аллювиальную террасу и является типичным представителем низких террасных болот подтаёжной подзоны Западной Сибири. Изучение влияния мелиоративных технологий на формирование гидротермического режима длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв осуществлялось автором на вариантах гончарного дренажа диаметром 0,05 м с глубиной заложения дрен 1,2, 1,5, 1,8 М при расстояниях между ними 10, 20, 30 и 40 м. Дрены длиной по 150 м впадают в открытые каналы, расстояния между которыми составляют 320 м. Построена также сеть открытых каналов с расстояниями между ними 200 м и глубиной 1,5 м. Весь опытный участок ограждён нагорно-ловчими каналами глубиной 1,5-2,5 м.
Почвы опытных участков представлены торфяником мощностью 1,9-2,8 м. Торф осоково-гипновый, осоково-тростниковый со степенью разложения в верхней части залежи 35-40%, с глубины 0,4-0,5 м торф становится менее разложившимся и изменяется от 20 до 10%. Зольность не превышает 6,3-8,5 %. Плотность сложения — 0,10-0,17 г/см5. Наименьшая влагоёмкость 0,5 м слоя торфа составляет 70% от объёма, высота капиллярной каймы 0,7 м, коэффициент водоотдачи метрового слоя 0,13.
Тип водного питания смешанный с преимуществом грунтово-напорного. Гидрогеологические условия залегания болот в подзоне подтай ni приведены на рис.2.
Подстилающей породой являются четвертичные отложения, представленные переслаивающимися суглинками и песками. Между подземными водами водоносных горизонтов верхне-четвертичиых оэёрно-аллювиальных отложений и
it
ннжн е-с ре дн е- о л и годе новых отложений Куртамышской свиты, в пределах рассматриваемой подзоны, существует тесная гидравлическая связь, описываемая уравнением вида;
Н = 4,76 Н1-2,5, (7)
где: Н — глубина залегания вод верхне-четвертичных озерно-аллювиальных отложений; Н — глубина залегания вод нижне-средне-олигоценовых отложений.
_■ _ _. _ _ ____
_ * I - Wrtll .'J__I -C^rjjHHOtt ГУТТ-' 1 — РИМ. -меим n 1 " М npn,4lft. L t»VQ4
Рис.2. Гидрогеологические условия залегания болот в подзоне иодтайги.
Коэффициент корреляции составил 0,94. Коэффициент фильтрации торфяной залежи - 0,2-0,4 м/сут. Характерной особенностью болот Западной Сибири является их равнинность, уклоны не превышают 0,0006. Плоская поверхность болот нарушается многочисленными минеральными островами, возвышающимися на 1-2 м.
Плошадь стационара расположенного в лесостепной подзоне, на Тарман-ском болотном массиве, составляет 272 га из которых 60 га осушается гончарным дренажём с глубиной заложения 0,9, 1,2, 1,5 м и расстояниями между дренами 8, 24, 40 м. Остальная часть осушается открытыми каналами с расстояниями 100, 150, 200 и 250 м. По геоморфологии и типу водного питания Тар-манскнй болотный комплекс относится к типичному представителю болот озёр но-аллювиальных террас с атмосфер но-склоновым типом водного питания, расположенных в лесостепной подзоне Западной Сибири. Основными растениям н-торфообразователями послужили осоки, тростник, гипнум и др. В результате отмирания которых, образовался неоднородный по степени разложения торфяник. С л абораз ложившиеся слои (20-25 %) чередуются с горизонтами средней степени разложения (40—45 %). Видовой состав растениЙ-торфообразователей показывает, что евтрофная стадия в развитии болот доминировала на протяжении всего периода развития. Низкая зольность торфяной
почвы (4,7-6,5 %) является результатом атмосферного типа водного питания болотного комплекса. Коэффициент фильтрации составляет 0,4-0,6 м/сут
Для торфяных почв на мелком торфе характерна повышенная лрльность изменяющаяся от 10,2-17,0 % в верхних горизонтах до 22,7 % в нижних.
Наблюдения на экспериментальных системах проводились в строгом соответствии с апробированными во ВНИИГиМе, ВНИИВО, РосНИИВХе методами и методиками исследований на мелиорируемых землях.
Метеорологические характеристики определялись на специально- оборудованных метеоплощадках, где размещались: психрометрическая будка, осадко-мер Третьякова и наземный ГР-28, испарометр ГТИ-3000, испарители ГГИ-500-50, плювиограф П-2, термометры для измерения температуры воздуха.
Полевые исследования включали в себя комплексные наблюдения за: уровнями грунтовых и напорных вод, дренажным стоком, режимом влажности почвы, гидрофизическими характеристиками почв, промерзаннем и оттаиванием, тепловым режимом почв, высотой снежного покрова и запасами воды в снеге, величиной поверхностного стока, трансформацией водно-физических свойств и органического вещества торфа, деформацией почвенного профиля под влиянием осушения и криогенных явлений методом реперных постов, фенологическими показателями развития растений, урожайностью однолетних и многолетних трав. При изучении движения грунтовых и грунтово-напорных вод применялись кусты пьезометров. Модельные опыты проводились в компенсационных лизиметрах на монолитах с ненарушенной структурой, площадь каждого монолита 1,0 м1. На болотных комплексах лесостепной и подтаёжной подзон было заложено по 24 лизиметра. В лизиметрах постоянно поддерживался уровень грунтовых вод на глубинах 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 м, а также моделировался водный режим аналогичный режиму, наблюдаемому на выбранных вариантах экспериментальных систем. Агротехнические приёмы обработки почвы, ухода за посевами, уборки в лизиметрах были идентичны условиям опытного участка. Содержание не замёрзшей воды в мёрзлой почве определяли методом ядерно-магнитного резонанса.
Подробное описание программ исследований, методик и схем опытов приведено в диссертации. Полученные экспериментальные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики, дисперсионного и корреляционного анализа. Технико-экономическое обоснование параметров мелиоративных систем и энергетическую оценку способов осушения выполняли по фактическим затратам на строительство, выращивание трав, себестоимости продукции, чистому доходу и другим показателям. ,
4. ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОСУШЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ .
ТОРФЯНЫХ ПОЧВ Исследования по формированию водного режима, как целинных так, и осушаемых болотных систем, позволили установить, что его определяющими
факторами являются геолого-геоморфологические условия, тип водного питания, длительное наличие сезонно-мерзлотного горизонта и техногенное воздействие. При этом основой оптимизации почвенных режимов является удаление избыточных вод п доведение водного режима до уровня биоклиматической нормы. Результаты наблюдений за динамикой грунтовых вод на осушаемых торфяных залежах показывают, что для грунтовых вод характерны общие закономерности: быстрое повышение весной в период снеготаяния на 0,4-0,7 м, последующее интенсивное снижение на 0,15-0,4 м после весеннего максимума, летннй минимум приходящийся на июнь-июль, кратковременное повышение в середине августа, вследствие выпадения обильных осадков, осенний подъём на 0,1-0,4 м наблюдаемый как правило, в октябре-ноябре и зимнее снижение уровней на 0,18-0,35 м (рис.3). На болотах с грунтово-напорным питанием глубина залегания грунтовых вод составляет 0,4-1,7 м, при атмосферно-склоновом-1,0-2,4 м.
ч50 70 •эо
3 но-
3
Ъ 130
150
1ТО
* эо ■
I 30
й ю
е о
. _ Рис.3. Режим грунтовых вод на стационаре «Усалка»
1-Н=*1,8 м, В=10м; 2-Н=1,8м, В=40м; 3 - Н=1,5 м, В=20 м.
Исследованиями установлено, что на режим грунтовых вод в вегетационный период оказывают влияние увлажнённость тёплого периода предыдущего года и положение грунтовых вод перед снеготаянием. В случае влажного предыдущего летне-осеннего периода грунтовые воды в следующий год на всех мелиоративных системах располагаются на более высоких отметках. Результаты наблюдений показывают, что водный режим осушаемых болот в значительной степени зависит от способов осушения.
Данные, приведённые в табл.1, позволяют судить о регулирующей способности современных мелиоративных систем. С увеличением интенсивности дренирования торфяных залежей грунтовые воды располагаются на более низ-
Таблица 1. Режим грунтовых вод в вегетационные периоды характерных лет на осушаемых болотных системах с грунтово-напорным типом водного питания, м,
Глубина Расстоя 1979 г. 1980 г. 1982 г. Среднее за
заложения ние меж Р« = 3% Р„- 46 % = 78% 1978-2000 гК
дрен, м ду дрена
МП, н * 1 1 2 1 3 1 2 з 1 | 2 3 1 | 2 | 3
и 10 0,25 0,61 0,91 0,47 0,88 1,13 0,72 1,04 1,34 0,55 0,91 1,17
1,2 20 0,16 0,48 0,78 0,37 0,73 1,03 0,68 0,96 и? 0,44 0,82 1,11
1,2 30 0,13 0,39 0,66 0,30 0,65 0,79 0,56 0,90 из 0,36 0,73 1,02
и 40 0,10 0,31 0,63 0,26 0,59 0,93 0,52 0,85 1,22 0,28 0,66 0,88
1,5 20 0,53 0,85 1,15 0,73 0,97 1,39 1,06 1,34 1,56 0,82 1,11 1,44
1,5 30 0,31 0,69 0,94 0,49 0,83 1,28 0,85 1,20 1,47 0,57 0,96 1,32
1,5 40 0,20 0,57 0,86 0,40 0,75 1,16 0,78 1,09 1,40 0,47 0,86 1,23
1.8 10 0,91 1,36 1,62 0,91 0,41 1,64 1,48 1,60 1,70 ив 1,50 1,63
1,8 20 0,83 1,16 1,32 0,83 иг 1,42 1,29 1,42 1,62 1,08 1,32 1,48
1,8 30 0,56 0,97 1,17 0,74 1,07 1,28 1.13 1,30 1,51 0,87 1,17 1.33
1,8 40 0,51 0,86 1,11 0,62 0,93 1,17 1,04 1,19 1,46 0,83 1,03 1,27
Открытая сеть
1,5 200 0,00 0,17 0,46 0,09 0,45 0,80 0,37 0,81 1,12 0,14 0,60 0,82
Примечание: I - минимальная глубина грунтовых вод, м; 2 - средняя за вегетацию глубина грунтовых вод, м; 3 - максимальная глубина грунтовых вод, м.
ких отметках. При этом на системах с глубоким заложением дрен скорость понижения уровней достигает 0,45 см/сут, а при осушении регулирующей сетью глубиной 1,0-1,2 м и открытыми каналами - 0,2-0,3 см/сут,
В условиях с длительными мерзлотными процессами наиболее ответственным периодом в работе осушительных систем является весна. К началу снеготаяния различия в глубинах залегания грунтовых вод по вариантам дренажа' становится минимальным. В это время залегание их на глубинах от 0 до 0,5 м, а также наличие мерзлоты слоем 0,3-0,6 м обладающей высокой влажностью и затрудняющей инфильтрацию атмосферных осадков, могут способствовать образованию на границе мёрзлой и талой почвы над мерзлотных вод. Длительное их стояние отрицательно для сельскохозяйственного производства. Чтобы исключить это негативное явление, мелиоративные системы должны обеспечить водоаккумулирутощую ёмкость активного слоя почвы способную принять поверхностные воды, для чего грунтовые воды в этот период должны находиться на глубине не менее 0,6-0,8 м. - ■ В летний период оптимальные условия роста растений созДШюта* при залегании грунтовых вод 0,9-1,2 м. Такой водный режим могут об ее печить^ только закрытые дренажные системы глубиной 1,5-1,8 м. Мелиоративные комплексы с более мелкой регулирующей сетью и открытые каналы не способны обеспечить требуемого положення грунтовых вод. ,
* V
15
Мелиорация болотных систем нарушает существующий баланс фунтовых и грунтово-напорных вод. Увеличивается интенсивность притока напорных вод до 5,5-12,4 мм/дут в активный слой торфяной залежи из нижерасположенных водоносных горизонтов через гидрологические окна, являющиеся зонами разгрузки (рис.4).
Рис,4. Гидродинамическая карта болотного комплекса с грунтово-напорным типом водного питания, декабрь 1998 г.
Установлено, что чем больше осадков выпадает в зоне питания водоносного пласта, тем ближе к поверхности расположены пьезометрические уровни на болотах и больше площадь выклинивания напорных вод. При этом во влажные годы разность в глубинах залегания уровней грунтовых вод, пьезометрических ^уровней возрастает, а в засушливые - уменьшается. Существующая связь грунтовых и напорных вод (рис. 5), оценивается высокими коэффициентами корре-ляции.0-,92-0,95 и её можно аппроксимировать линейной зависимостью вида:
--Ня= 1,38 Н^-0,82, (8)
где: Н п — глубина пьезометрических уровней, м; Н гр - глубина грунтовых вод, м.
Наличие тесной корреляционной связи позволяет использовать её при оценке эффективности способов осушения.
Под действием дренажа происходит сработка части подземных вод. При этом, по мере удаления от окраин осушаемого массива к его центру, напор водоносного пласта падает, пьезометрическая поверхность понижается, достигая самого низкого положения в центре осушаемой площади.
180
160
140
120
100
80
(
/
et?>
/ 'о
/
г
90 110 130 150 170 190 Глубина грунтовым вод, см.
210 230
Рис. 5 Связь между глубиной залегания грунтовых вод и пьезометрических уровней, подзона подтайги.
Многолетними экспериментальными Данными установлено, что системы с интенсивным дренированием обеспечивают в 1,4-5,2 раза более низкое положение поверхности напорных вод в сравнении с вариантами экстенсивного осушения, что позволяет нам сделать заключение о целесообразности применения дренажных систем глубиной 1,5-1,8 м для разгрузки напорных вод и снижения их пьезометрических уровней (табл. 2).
Таблица 2, Пьезометрические уровни и амплитуда их изменений в вегетационные периоды характерных лет на системах закрытого дренажа, м
Глубина Расстоя- 1979 г. 1980 г. 1982 г. Среднее за
заложе- ния меж Р«=3 % F м- 46 % Рос= 78 % 1979-2000 гг.
ния дрен, ду дрена • 1 ? 3 1 ? 3 1 ? 1 1 2 1-
м ми, м
1,2 10
1,2 20
1,2 30
1,2 40
1,8 10
1,8 20
1,8 30
1,8 40
0,21 0,46 0,83
0,14 0,38 0,74
0,11 0,32 0,64
0,09 0,25 0,60
0,85 1,03 1,42
0,75 0,94 1,20
0,51 0,84 1,03
0,47 0,77 1,01
0,42 0,71 1,03
0,34 0,62 0,97
0,28 0,56 0,92
0,25 0,52 0,89
0,83 1,08 1,38
0,77 0,98 1,29
0,69 0,92 1,18
0,57 0,83 1,09
0,65 0,98 1,26
0,58 0,92 1,24
0,50 0,87 1,19
0,44 0,82 1,17
1,20 1,39 1,57
1,10 1,29 1,52
1,03 1,20 1,46
0,96 1,14 1,42
0,44 0,77 1,10
0,35 0,69 1,04
0,28 0,63 1,00
0,24 0,57 0,96
0,99 1,19 1,48
0,86 1,10 1,38
0,69 1,00 1,27
0,61 0,93 1,20
Примечание: 1 -минимальная глубина пьезометрических уровней, м; 2—средняя за вегетацию глуби на пьезометрических уровней, м; 3-максимальная глубина пьезометрических уровней, м.
Максимальное превышение напорных вод над грунтовыми- в этом случае может достигать 0,5 м. На вариантах с мелким заложением дрен и при' осу-
шенни каналами колебания поверхности напорных вод происходит на глубине 0,1 -] ,2 м в зависимости от влажности года.
На болотных массивах с атмосферно-склоновым типом водного питания также наблюдается зависимость режима грунтовых вод от параметров осушительных систем, В связи с тем, что в формировании грунтовых вод принимают участие в основном атмосферные осадки и динамика уровней происходит на более низких отметках, приоритетным в использовании мелиоративных мероприятий должно быть экстенсивное осушение на основе закрытого дренажа. Более того, в отдельные засушливые периоды, для оптимизации водного режима корнеобитаемой зовы необходимо дополнительное увлажнение.
Понижая грунтовые воды на болотном массиве, мы тем самым оказываем влияние на режим фунтовых вод прилегающих территорий. Проведёнными исследованиями установлено, что зона внешнего влияния мелиоративных систем, при грунтово-напорном типе водного питания болот, распространяется на 300-350 м, при атмосферно-склоновом питании — 700-800 м. Выполненные расчёты показывают, что для прогнозной оценки понижения грунтовых вод на прилегающих территориях можно пользоваться формулами С.Ф;Аверьянова (9) и Н.Н.Веригина (10). Отклонения фактических и рассчитанных значений понижения грунтовых вод не превышают ± 9-14%,
АН=АН„ег/с(Л), (9)
ДЯ = ДЯ0ег/с(х), ' (10)
. *(1 + Сд ). л _ *>». . 2м 2т
V. А = г— , « — ——, <ЭХ ЬТТ"
, ,, 2<а/ ¡л да лЬ
где: ег/(Х)- табулированная функция Крампа; х- расстояние от осушительной си'стемы; а- уровнепроводность водоносного пласта, м2/сут; (- время, сут; Кф- коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; м - мощность водоносного пласта, м; безразмерное фильтрационное сопротивление на несовершенство дренажа по степени вскрытия водоносного пласта; Ь - глубина дренажа, м.
5. МЕЛИОРАТИВНАЯ СИСТЕМА С ПОЗИЦИЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ
Осушение воздействует на гидрологический режим болот, основу которого составляют в основном поверхностный, дренажный сток, режим влажности почвы, испарение и т.д.
Рассматривая формирование поверхностного стока, с осушаемых торфяных почв было установлено, что он наблюдается в периоды снеготаяния только на слабоосушенных массивах, в летние и осенние месяцы даже при выпадении осадков 250-300 % от нормы сток отсутствует, В случае применения систем интенсивного осушения поверхностный сток практически не наблюдается. Это связано с значительной порозностью мёрзлого горизонта при глубоком осушении болотных почв. Проведённые результаты расчётов показывают, что коэффициенты стока варьируют от 0,02 до 0,82 соответственно при интенсивном н слабом осушении торфяных почв (табл.3).
Таблица 3. Характеристика поверхностного стока с осушаемых торфяных почв Западной Сибири
Глубина за ложення дрен,м Расстояние между дре вами, м 1997 г. 1998 г. 1999 г. Среднее за I997-J999JT.
3 п | К 3 П 1 к 3 П К 3 П К
1,2 Ю 95,0 12,0 0,13 110,0 33,0 0,30 134,0 32,0 0,24 113,0 26,0 0,23
Iл 40 95,0 44,0 0,46 И0,0 68,0 0,62 134,0 71,0 0,53 113,0 61,0 0,54
1,8 10 104,0 0,0 0,00 107,0 0,0 0,00 146,0 0.0 0,00 119,0 0,0 0,00
1,8 40 104,0 0,0 0,00 107,0 2,0 0,02 146,0 0,0 0,00 119,0 1,0 0,01 Открытая сеть
1,5 200 99,0 63,0 0,64 1)4,0 93,0 0,82 140,0 104,00,74 117,0 87,0 0,74
Примечание: 3 - запас воды в снеге, мм; П - поверхностный сток, мм; К - коэффициент поверхностного стока. _ .
Установлено, что с увеличением мощности мёрзлого слоя, поверхностный сток возрастает и наоборот. Это наиболее полно проявляется на недоосушен-ных почвах. Максимальная величина стока может достигать 4,8-6,7 л/с.га. Его продолжительность и динамика определяются, как общей интенсивностью прогревания воздушных масс, так и суточным ходом температурного режима воздуха. Возвратные холода замедляют сток вплоть до его прекращения. Опыты по организации поверхностного стока позволили нам предложить ряд мероприятий для его прогнозирования. Для увеличения коэффициентов стока до 0,90-0,95 и тем самым уменьшения просачивания талых_вод_необходимо выполнять периодически планировку и профилирование поверхттстгг-йспользуе-мых торфяных массивов. В случае пополнения запасов влаги в почве за счёт поверхностных вод осенью выполняется зяблевая вспашка без дискования. Ког эффициенты стока поверхностных вод при этом уменьшаются до 0,03-0,06. ■
Исследования по формированию дренажного стока показывают, что его величина зависит в основном от типа водного питания осушаемого массива, геоморфологических условий, водообеспеченности года и параметров дренажных
систем. При грунтово-наиорном питании дренажный сток может продолжаться в течение всего года и нередко превышает осадки. Наличие стока в холодные периоды связано с притоком грунтово-напорных вод. Для определения их количественной характеристики использовали расчётные методы и метод водного баланса на основе лизиметрических исследований. С увеличением глубины заложения регулирующей сети и уменьшения расстояний между дренами приток воды из водоносного горизонта возрастает (табл.4). На системах глубокого
Таблица 4, Приток грунтово-напорных вод за (май-сентябрь) определённый методом водного баланса, мм
| Глуби на-заложения I дрен,м Расстояние между дренами. м 1979 г. Р«=3 % 1980 г. Ри=46 % 1981 г. Р«=54 % 1982 г. Р«=78 % 1983 г, Р««19% Среднее за 1979-1983гг.
1,2 10 497,5 391,1 377,9 301,2 349,4 393,2
1.2 20 430,1 337,8 327,2 268,6 264,6 333,8
и 30 279,9 283,5 286,2 214,4 211,0 249,0
1,2 40 219,3 258,8 250,4 197,4 182,5 201,7
1,5 10 933,6 731,8 802,0 413,3 737,5 724,6
1,8 20 626,4 471,7 475,1 340,0 420,7 462,8
1,8 30 308,1 350,6 362,6 280,7 274,4 315,3
1,8 40 263,1 279,1 312,5 260,6 240,5 274,4
дренирования его величина достигала 240,5-933,6 мм, при осушении мелким
дренажом -182,5-497,5 мм.
Отмечено, что гидрограф дренажный стока синхронно повторяет ход изменения уровней грунтовых вод. Эта связь, приведённая на рис. б, характеризуется высокими коэффициентами корреляции 0,91-0,94, аппроксимируется линейными уравнениями и зависит от гидротермических условий. Распределение дренажного стока по сезонам показывает, что в условиях длительного сезонного промерзания максимальный сток формируется в весенние периоды при наличии значительного слоя (0,3-0,6 м) мерзлоты. На осушаемых болотах с грун-тово-напорным питанием максимальный сток может достигать 1,8 л/с.га, на болотах с атмосферно-склоновым питании он не превышает 0,36 л/с,га.
Харак^сриетнки-тнренажного стока зависят от параметров мелиоративных систем и водообеспеченности рассматриваемого периода (рис. 7).
С увеличением интенсивности осушения торфяных залежей возрастают показатели дренажного стока. На болотных ландшафтах с грунтово-напорным типом водного питания, осушаемых дренажом глубиной 1,5-1,8 м, объёмы дренажного стока изменяются от 312,6 до 1007,0 мм, коэффициенты дренажного стока могут варьировать в диапазоне 0,7-3,2, при атмосферно-склоновом питании болот коэффициенты стока составляют 0,04-0,2 (табл.5). Исходя из особен-
0,8
«
я. о 0,7
3 0,6
о
и 0,5
£ А
£ 0,4
Й
| 0,3
| од
1 0,1
_йУ
/
д = 1,29Ь-0,27 г я 0.94 \ »/ А Л!
• уф = 0.88Ь- 0,05 уу- г =0.91
/
У
и
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Напор грунтовых вод над дренами, м.
Рис. 6. Связь между модулями дренажного стока и напором фунтовых вод над дренами: 1. Н=1,2 м,
=10 м;
1200
1000
£
800
з
| 600
2
? 8 400
200
\
x
__■' 4 -----
10 20 30 40
Расстояние между дренами, м
Рис.7. Зависимость дренажного стока от параметров мелиоративной системы и увлажнённости вегетационного периода: 1. Н=1,8 м., Рм=3%. 2. Н=1-,2 м., Рос=3%. 3. Н=1,8 м., Рк=78%, 4.Н=1,2м.,Р(к=78%.
ностей формирования дренажного стока в условиях лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири расчётным периодом является предпосевной, а поверочный - летне-осенний. При определении параметров мелиоративных систем для осушения болот с грунтово- напорным типом водного питания расчётный модуль стока составляет 1,1 л/с.га. . ,
В связи с тем, что пока нет универсальных методов определения расчетных модулей стока, учитывающих всё многообразие природных условий и антропогенных воздействий целесообразно применять .региональные __ разработки сообразуясь с условиями рассматриваемого- природного объекта. Результаты исследований могут быть использованы по принципу аналогии.
Для расчёта модулей дренажного стока с торфяных лассивов с грунтов о-напорным типом водного питания, используемых под многолетние травы и осушаемых системами закрытого дренажа глубиной 1,51,8 м предлагается зависимость вида:
ч = 2,53 1ц + 0,33 Ь2 - 0,034,
(11)
где: Ь) - напор грунтовых вод, м; Ьг — пьезометрический напор, м; численные коэффициенты характеризуют анизотропность торфяных залежей и гидрогеологические особенности расположения болот.
При осушении болот с атмосферно-склоновым питанием, используемых для выращивания многолетних трав, расчётный модуль дренажного стока мы предлагаем определять по формуле:
4,-45,24 а К (12)
где: (1лр- расчётный модуль дренажного стока, м/сут; а- коэффициент вися-чести; К - приведённый коэффициент фильтрации, м/сут; Н — глубина заложения дрен, м; В - расстояние между дренами, м; Ь) и Ь^ — высота грунтовых вод над дреной соответственно в начале и в конце расчётного периода, м; водоотдача активной зоны торфа; Т — расчётный период, сут.
Таблица 5. Характеристики дренажного стока с осушаемых торфяных почв в вегетационные периоды характерных лет
Глубина заложения дрен м Расстояние между дренами, м 1979 г„ Р«= 3 %(465.9 мм) 1981 г., Р~= 54 % (273,2 мм) 1982 г., Р«= 78 % (229,2 мм)
1 2 3 1 2 3 1 2 3
1,2 10 0,98 0,40 534,9 1,02 0,26 289,0 0,50 0,24 195,2
1,2 20 0,68 0,30 403,7 0,73 0,18 231,9 0,32 0,16 129,2
1,2 30 0,42 0,23 304,1 0,48 0,14 162,1 0,20 0,11 99,0
1.2 40 0,30 0,16 216,7 0,37 0,09 121,6 0,12 0,07 72,4
1.3 ■ 20 0,82 0,34 456,8 0,98 0,18 241,2 0,37 0,06 81,7
1,5 30 0,56 0,23 319,5 0,65 0,15 195,0 0,28 0,05 65,9
1,5 40 0,41 0,14 211,0 0,49 0,09 125,1 0,22 0,04 51,0
1,8 "" 10 1,80 0,85 1007,0 1,51 0,59 666,1 0,80 0,29 318,6
1,8 20 1,32 0,61 770,6 1,29 0,36 447,6 0,34 0,20 269,1
1,8 ;-зо—_ -0,97 0,33 442,5 1,04 0,21 280,5 0,24 0,16 218,8
1,8 40 0,73 0,24 312,6 0,88 0,17 228,5 0,18 -0,14 183,8
Примечание: 1 - максимальный модуль дренажного стока, л/с.гец 2 - средний за вегетацию модуль дренажного стока, л/с.га; 3 — объём дренажного стока за май-сентябрь, мм,
В условиях Западной Сибири на осушаемых болотных почвах формируется особый, режим увлажнения корнеобитаемой зоны обусловленный наличием.
длительных с сзо н но-мерз лотн ых процессов. За осенне-зимний период в промерзающем слое влажность почвы повышается до 84-100% от ПВ (рис.8).
При
£
я о
£
о
8 с
20
40
60
80
50 60 70 80 90 100 Влажность дочвы, % от ПВ
110
Рис.8. Динамика влажности торфяной почвы в ран не-весенний период; 1— 8 м, В=10м; 2-Н=1,8м, В=40м; 3-Н=1,2м, В=10м; 4 - Н= 1,2 м, В=40 м; 5-Н=1,5м, В=200 м.
не достато ч ном осушении отмечается накопление влаги в промерзающем горизонте почв, сверх наименьшей влагоёмкости, до 95-110 мм. Это увеличение влага содержания происходит вследствие сил избыточного капиллярного давления и термодиффузии пара, из нижних почвенных горизонтов. Всё это приводит к повышению водоотдачи мёрзлого торфа в 1,5-2,0 раза.
В первой половине вегетации мёрзлый слой оказывает существенное влияние на режим влажности оттаявшей части почвы. При этом, чем
больше накоплено влаги в мёрзлом горизонте, тем выше влагосодержание почвы в рассматриваемом горизонте к моменту исчезновения мерзлоты (рис. 9). Эта зависимость оценивается коэффициентами корреляции 0,86-0,90 и ал-_ праксимируется линейным уравнением:
№¡,= 1,25»',, -0,46,
(13)
где: 1Уп- влажность почвы в июне, в долях ог НВ; 1У,.„- влажность почвы в ранне-весенний период, в долях от НВ.
Это свойство криогенных почв имеет исключительное значение при водоба-лансовых и гидрологических расчётах. Оно играет как. положительную роль (в засушливые периода) так и отрицательную (при выпадении обильных осадков). Результаты многолетних исследований (1978-2003 гг.) показали, что влажность почвы у границы мерзлоты, даже в длительные, засушливые периоды не опускается ниже 60-65 % от ПВ. Это способствует оптимизации режима увлажнения корнеобитаемой зоны вначале вегетации. При этом, если на первый фактор воздействовать не возможно, то использование методов и спосо-
бов оптимизации водно-воздушного режима почв является целесообразным. Влажность торфяных почв в вегетационные периоды обусловлена гидротерм и-
1,4
1,2
- 1,0
0,Я
0,6
¡0,4
ол
ш
У У
- ♦
« /
/
• < Л Л
• /9 ♦
0,4 0,6 0,В 1,0 1,2 1,4 1,6 Влажность почвы перед снеготаянием, в долях от НВ,
Рис.9. Влияние влажности мерзлой почвы перед снеготаянием на режим влажности соответствующего слоя в первой половине вегетации (июнь).
ческими условиями и ■ параметрами мелиоративных систем. Исследованиями установлено, что на болотных комплексах Западной Сибири условия оптимального увлажнения корнеобитаемой зоны обеспечиваются осушительными системами глубиной 1,5-1,8 м с расстояниями между дренами 20-40 ми 1,21,5 м с расстояниями 30-40 м соответственно при грунтово-напорном и атмосфер но - склоновом типах водного питания (рис.10).
6. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОСУШЕНИЯ С ПОЗИЦИЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ ОСУШАЕМЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ
Тепловой режим является одним из наиболее важных показателей плодородия почв в условиях с ограниченными тепловыми ресурсами. Особое место при изучении температурного режима почв Западной Сибири принадлежит криогенным процессам.
Полевые и теоретические исследования позволили отметить, что специфика , природных условий рассматриваемого региона обуславливает активизацию криогенных процессов в болотных системах под действием техногенеза.
Установлено, что этот процесс зависит в первую очередь от суммы отрицательных температур воздуха, высоты снежного покрова и влажности почвы перед промерзанием. За годы исследований наблюдался широкий диапазон этих показателей. Сочетание их обеспечивало разные условия промерзания почв (табл.6). Максимальная глубина промерзания торфа на болотах с грунто-во-напорным типом водного питания достигала 0,61 м, при атмосферно-склоновом питании её значение составляло 0,78 м.
Для условий Западной Сибири отмечается наличие двух периодов различных по интенсивности в динамике промерзания почв. Начало первого периода
Рис.10. Динамика влажности почвы в слое 0,5 м: 1—Н=1,20 м, В=10 м;
2-Н=1 ДО м, В=40 м; 3-Н=1,50 м, В=20 м; 4-Н=1,50 м, В=40 м;
5-Н=1,80 м, В=10 м; 6 —Н=1,80 м, В=40 м; 7-Н=1,50 м, В =200 м;
А-1979 г., Рос=3 %; Б-1982 г., Р«=78 %.
приходится на момент перехода температуры воздуха через 0 °С окончание совпадает с образованием снежного покрова высотой 0,15-0,25 м. Интенсивность нарастания мёрзлого слоя достигает 1,4 см/сут. Второй период начинается с образования снежного покрова высотой 0,25-0,30 м и продолжается до наступления максимального промерзания, скорость увеличения мерзлоты изменяется от 0,06 до 0,42 см/сут. Исследования по влиянию способов осушения на промерзание торфяных почв показывает, что с увеличением глубины заложения дрен и уменьшения расстояний между ними глубина и скорость промерзания возрастают. При этом, криогенные процессы, протекающие в промерзающих торфяных почвах с недостаточным и интенсивным осушением значи-
тельно различаются. Промерзание почв, осушаемых глубокими дренажными системами, было в 1,3-1,6 раз больше, чем на площадях осушаемых дренажом глубиной 1,0-1,2 м и в 1,8-3,5 раза в сравнении с целинными залежами.
Таблица 6. Характеристика условий промерзания осушаемых торфяных почв
Годы Снежный покров Промерзание почвы £среднесут, температур воздуха
Максималь- Обеспечен- Максимальная Обеспечен- Обеспе-
ная высота^ ность^ глубина,м ность^ т,°С ченность "Л
1978-1979 0,59 5 0,61 17 2164 21
1979-1980 0,36 61 0,59 26 2132 32
1980-1981 0,38 58 0,48 55 1615 81
1981-1982 0,42 47 0,56 36 1938 50
1982-1983 0,48 39 0,3« 83 1210 .97
1987-1988 0,28 78 0,55 27 1901 57
1988-1989 0,44 46 0,47 50 1661. 67
1989-1990 0,60 4 0,36 81 1547 85
1992-1993 0,42 50 0,50 46 1793 66
1996-1997 0,38 56 0,44 62 . 1592 82
1997-1998 0,41 52 0,54 30 2156 24
1998-1999 0,52 19 0,47 50 1955 53
1999-2000 0,58 7 0,37 80 1461 89
Среднее
уноголетнее 0,42 50 0,47 50 1988 50
Активное проникновение отрицательных температур в почву на системах глубокого дренирования создаёт особые криогенные условия, когда влага из нижних горизонтов почвы не успевает подняться к промерзающему профилю. Вследствие этого быстро промерзающие почвы меньше накапливают влаги и холода, а сам мёрзлый слой принимает вид пористой среды, где имеется до 2028 % свободных ото льда лор. На целинных болотных залежах и массивах с недостаточным осушением из-за медленно развивающегося криогенного процесса в промерзающем слое накапливается влаги до значений ПВ и более и мёрзлый слой становится практически монолитным.
Карпгрование промерзающих площадей показало на значительную вариа-бильность глубин промерзания, особенно в начальный период промерзания. Коэффициенты вариации значительные и составляют 0,28-0,42. При этом почва над дренами промерзает на 45-62 % интенсивнее, чем в центре осушаемых карт.
Динамика промерзания во многом обусловлена высотой и плотностью снежного покрова. С увеличение его высоты и уменьшением плотности интенсивность нарастания мёрзлого слоя осушаемых почв приближается к промерзанию неосвоенных болот. Поэтому главным, экономически целесообразным мероприятием по ослаблению промерзания осушенных болот должно быть
снегонакопление, особенно в начальный период промерзания почв. Исследования показали, что на освоенных болотных массивах высота снежного покрова в 1,6-2,3 раза меньше, чем на целинных болотах. При этом открытые, ровные пространства на "осушенных площадях способствуют увеличению плотности снега на 50-78 % и его теплопроводности в сравнении с массивами занятыми лесокустарниковой растительностью. Массивы с плотно сложенным снежным покровом промерзают на 45-67 % интенсивнее, чем площади покрытые рыхлым снегом. Для расчёта и прогнозирования плотности сложения снега на осушаемых болотных ландшафтах лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири предлагается эмпирическая зависимость вида:
0,047 SU, (14)
где: ß - плотность снежного покрова, г/см3; h — высота снега, см; 0,047 — коэффициент учитывающий условия снегонакопления.
Существующие формулы расчёта глубин промерзания торфяных почв, рекомендованные для других регионов страны, не удовлетворяют условиям рассматриваемых подзон. Их проверка показала, что между расчётными и фактическими значениями расхождения составляют 17-84 %. Поэтому для расчёта глубины промерзания осушаемых почв лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири предлагается формула вида:
р 1 ;
где: Нпр — глубина промерзания, см; Lt — сумма отрицательных среднесуточных температур, °С; h™ — высота снега, см; W — влажность почвы перед промерзанием в долях от ПВ. Формула действительна при влажности почвы перед промерзанием 0,55-0,80 ПВ.
С наступлением положительных температур воздуха начинается оттаивание криогенных почв. Их размерзание - это сложный природный процесс, в котором участвуют многие переменные во времени, учесть которые в полной мере невозможно. Характерной особенностью оттаивания почв в Западной Сибири является длительность этого процесса, связанная с исходной перед снеготаянием влажностью мёрзлой почвы и малой интенсивностью нарастания положительных температур воздуха.
Результаты исследований показывают, что интенсивно осушаемые почвы отшивают на 10-12 суток раньше, чем слабоосушенные торфяные массивы. В условиях Западной Сибири полное розмерзание осушаемых торфяников наступает в период с третьей декады мая по конец июня. Вследствие утепляющего действия грунтовых вод снизу оттаивает слой мерзлоты 0,03-0,13 м с интен-
сивностью 0,05-0,24 см/сут, скорость оттаивания почвы сверху изменяется в диапазоне 0,25-1,20 см/сут. Наибольшие величины характерны для систем с глубиной заложения дрен 1,5-1,8 м (рис. 11). Дня расчёта динамики оттаивания длительно-мерзлотных торфяных почв лесостепной и подтаёжной подзон, после схода снега, нами предложена формула:
Нот= 135 , (16)
где: Н„т — глубина'оттаивания, см; Ег- сумма положительных среднесуточных температур воздуха, °С; коэффициент 1,35 характеризует суммарное влия- . ние условий формирования метеофакторов, теплофизических свойств промёрзшего слоя. Исследованиями установлено, что осушаемые торфяные почвы в мёрзлом состоянии фильтруют воду, при этом интенсивность фильтрации для точек, расположенных ца разном удалении от дрен различается в 2,12,7 раз. Водопроницаемость мёрзлых торфяных почв зависит в первую очередь от пористости и исходной перед снеготаянием влажности почвы. Максимальные ' скорости фильтрации характерны для дренажной засыпки, здесь при пористости почвы 93-95 % и влажности 52,1-63,3 % от объёма,водопрони -
цаемость достигает 0,104-0,297 м/сут, приближаясь к значениям талых торфов. Фильтрационные свойства почв междренных пространств, при пористости 8890 % и более высоких значениях влажности, изменяются в диапазоне 0,0390,127 м/сут. Такое различие в водопроницаемости связано с наличием свободных ото льда пор. Чем интенсивнее осушение, тем выше фильтрационные свойства промёрзших почв (табл.7). Вместе с тем, при определённом соотношении температуры промёрзшего слоя и его влажности перед снеготаянием
3 о
(в
•е-
§
ж
о
50
40
30
Е 20
10
0
1 \ Ос^ -¿V л
0, 5 > 0 1 \* •
ф * >>г » ■Т » » * и* г *
р* гГ
100 300 500 700 Сумма среднесуточных, положительных температур воздуха, °С
Рис.11. Зависимость глубины оттаивания торфяной залежи от суммы положительных среднесуточных температур воздуха, подзона подтайги: 1. Н=1,5 м,В=20м;2.Н=1,5м,В=200м.
Таблица 7. Водопроницаемость мёрзлых торфяных почв в ранневесенний период (1982-1994 гг,)
Место про- Пористость, Толщина мерзлого Объёмная влаж- Водопроница-
веден! [я % слоя почвы, м ность мёрзлой емость, м/сут
•опыта почвы, "Л
Над дреной 1/4 В 1/2 В
93-95 38-90 88-90
0,50 0,38 0,34
56.8
71.9 78,0
0,206 0,122 0,081
где: В - расстояние между дренами, м.
может образоваться в почве высокая льдистостъ, при которой вода замерзает в порах образуя водонепроницаемый горизонт. Для прогнозирования такой ситуации, а также определения граничных условий возникновения процесса инфильтрации талых вод через мёрзлые горизонты болотных почв, в зависимости от их плотности, предлагается универсальная номограмма (рис. 12), при разработке которой использовался метод расчёта потерь тепла талых вод при просачивании в мёрзлую почву и получены уравнения, описывающие критические условия водопроницаемости мёрзлых торфяных почв:
_ А - ~»4., ]+ (80+лгсвт (8+)
В0 + 1шч-0,5ек
(17)
(18)
где; ^ - критическая начальная температура почвы, достаточная для того, что£ образующийся лёд полностью закупорил все свободные поры, °С; Т/с!зд> - количес во незамерзающей воды при температуре 0 °С, в долях от объёма; 1Усвю - то же р] температуре I °С; \Усв< ь^) - то же при температуре °С; Wн — начальная влажное почвы в долях от объёма; Р^— общая пористость почвы; (:иач — начальная температ ра просачивающейся вода, °С.
Одним из основных факторов гарантирующих фильтрационные свойства мёрзлых торфов является содержание в них незамёрзшей воды. Для количественной характеристики этого показателя разработаны уравнение и графики в зависимости от вида торфяной залежи и плотности сложения (рис.13). Кривые 1 и 4 построены по данным Э.А.Бишофа и В.И.Штыкова.
IV =
(19)
а = 2£0(0,2-(/) + 4Й,
(20)
где: 1Г- содержание незамёрзшей воды, % от объёма; /- температура мёрз> лого слоя почвы, °С; (1 - плотность сложения почвы, г/см3.
Влажность почвы, в % от объёма
Рис. 12. Номограмма определения критических условий фильтрационной способности мёрзлых органогенных почв в зависимости от их плотности сложения: 1- <1=0,10 г/см3; 2 - <1=0,15 г/см3; 3 - с1=0,20 г/см*; 4 - 0,25 г/см1; 5 - 0,30 г/см3.
Температурный режим мёрзлых торфов перед снеготаянием не опускается ниже -0,7-1,0 °С. При таких параметрах замёрзших почв обеспечиваются условия инфильтрации талых вод. При экстенсивном осушении влажность мёрзлых почв во все годы была выше критических величин, вследствие чего мёрзлые торфяники были практически водонепроницаемы и на болотных системах отмечалось стояние поверхностных вод до17-23 сут.
Длительное наличие мёрзлого горизонта во многом обуславливает формирование температурного режима почв в летний период. Полевыми исследованиями и модельными опытами установлено, что осушение торфяных почв обеспечивает повышение их температурного режима на 1,3-2,7 С. При этом, чем интенсивнее осушаются почвы, тем лучше их температурный режим. Максимальная температура пахотного слоя достигает 17-19°С. Его прогревание до
Рис.13. Содержание незамёрзшей воды в мёрзлых торфяных почвах: 1- низинно-осоковый, засоленный; 2 - осоково-тростниковый с!=0,20 г/см3; 3 — осо-ковотростннковый (1=0,15 г/см1; 4 - торф средкеразложившийся высокомнне-рализованный с растительными осадками.
+10 °С на болотных ландшафтах осушаемых дренажом глубиной 1,5-1,8 м происходит на 9-11 суток раньше, чем на слабоосушенных. Такое различие при ограниченных тепловых ресурсах существенно для условий Западной Сибири.
Внесение минеральных компонентов (песок и глина) в корнеобитаемую зону осушаемых торфяных почв, в количестве 350-400 т/га, обеспечивает повышение температурного режима на 3,7-5,2°С. Дальнейшее увеличение содержания минеральной составляющей в торфяной почве ведёт к более интенсивному её прогреванию, увеличению биологической активности микрофлоры и ускоренной минерализации органики. С позиций сохранения органического вещества торфяной залежи, внесение повышенных доз минеральных грунтов не целесообразно.
На основании теоретических исследований и практических расчётов впервые для условий Западной Сибири получены термобалансовые коэффициенты, позволяющие прогнозировать температурный режим осушаемых почв. Это даёт возможность предусматривать мероприятия, снижающие неблагоприятное воздействие температур на развитие сельскохозяйственных растений.
7. ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ НА ДИНАМИКУ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
При изменении гидротермического режима' болотных почв происходит существенное изменение их водно-физических свойств. Процесс торфообразова-ния сменяется процессами разложения и глубокой трансформацией его органической и минеральной составляющих. При этом на болотах с грунтово-напорным питанием эти процессы идут значительно медленнее, чем на болотах с атмосферным типом водного питания. Наиболее существенные изменения основных почвенных характеристик отмечаются в корне обитаемом слое и происходят в первые годы после осушения, плотность сложения увеличивается. на 44,0-48,2 %. В- нижних слоях зоны аэрации, до глубины 0,8-0,9 м, плотность почвы возрастает на 22—28 %. В дальнейшем процесс изменения свойств почвенных слоёв активной зоны торфяника замедляется. При грунтово-напорном и атмосферно-склоновом типах водного питания болот и использовании осушаемых торфяных почв под многолетние травы, за двадцатилетний период, плотность сложения 0,5 м слоя торфа увеличилась соответственно на 17 и 35 %, плотность твёрдой фазы почвы — на 9,1 и 6,5 % Повышение плотности органической массы на мелком торфе происходит в 1,3-1,5 раза быстрее в сравнении с торфяными почвами на среднемощном торфе.
Получены уравнения регрессии, характеризующие связь между отдельными водно-физическими характеристиками органогенных почв. Наличие тесной корреляционной связи между плотностью сложения почвы и её зольностью аппроксимируется линейными уравнениями вида:
- для торфяных почв с атмосферно-склоновым типом водного питания:
у= 0,04 + 0,021А, (21)
- для торфяных почв с грунтово-напорным питанием: • .
у=0,03 А-0,06, (22)
где: у - плотность сложения торфа, г/см3; А - зольность, %,
Под влиянием парования и вырашивания пропашных культур интенсивность разложения органического вещества возрастает в 4-6 раз, плотность сложения почвы в пахотном слое увеличивается в 10-12 раз быстрее в сравнении с почвами занятыми многолетними травами.
Рассматривая динамику скважности почвы, следует отметить, что её максимальное уменьшение наблюдается на начальных этапах освоения болотных комплексов и достигает 4,3 %. В дальнейшем этот процесс замедляется, и за последние десять лет не превысил 1,5 %. Общая скважность в верхних горизонтах почвы постепенно приближается к скважности нижних слоёв залежи.
При этом увеличивается количество капиллярных пор и уменьшается доля пор аэрации. Изменение соотношения капиллярной и некапиллярной скважности приводит к снижению влагоёмкости почвы. Наиболее существенное изменение наблюдается в послестроительный период на площадях осушаемых системами интенсивного дренирования и достигает 13-18 % от объёма. Влияние сельскохозяйственного использования и минерализации органического вещества на динамику влагоёмкости торфа незначительно. За двадцатипятилетний период её величина сократилась на 2,7-3,0 %.
Исследования по водоотдаче торфяных залежей показывают, что на целинных болотах и при их экстенсивном осушении общая .водоотдача торфяных почв близка к значениям свободной водоотдачи, в случае интенсивного дренирования торфяной залежи она превышает последнюю в 2—4 раза. Для осушаемых почв болотных массивов лесостепной подзоны с атмосферно-склоновым типом водного питания коэффициенты водоотдачи торфа зоны аэрации варьируют в диапазоне 0,09—0,14. С уменьшением свободной водоотдачи снижается фильтрационная способность почвы. Так, если фильтрационные свойства полуметрового слоя торфа целинных болот достигают 12,9-17,6 м/сут, то коэффициенты фильтрации пахотного слоя, осушенных почв составляют 2,7-6,8 м/сут, что в 6,6-17,0 раз выше фильтрационных свойств подпахотных горизонтов. Для «инертного» слоя органогенных почв характерна стабильность коэффициентов фильтрации и их невысокие значения 0,1-0,3 м/сут.
В течение двадцатипятилетнего периода осушения торфяных почв, с грун-тово-напорным типом водного питания, степень разложения торфа в полуметровом слое возросла на 4-6 % достигнув 41-52 % соответственно увеличилась и зольность на 2,1—2,6 %. На болотах с атмосферно-склоновым типом водного питания значения рассматриваемых показателей на 3-5 % ниже.
При моделировании водно-воздушного режима торфяных почв в лизиметрах, изменения водно-физических характеристик органического вещества происходят в 1,1-1,3 раза быстрее, чем в почвах, с соответствующим водным режимом, расположенных в естественных природных условиях вследствие повышенного теплового режима почвы в лизиметрах и других допущений. Осадка торфяных почв подчиняется строго географической зональности, увеличиваясь с севера на юг. При этом общие закономерности в её динамики аналогичны данным, полученным в других регионах страны. Различия заключаются в количественных значениях (рис.14). Суровые климатические условия Западной Сибири обусловливают малую интенсивность осадки торфа.
При слабом осушении торфяных почв и использовании их под многолетние травы средняя интенсивность общей осадки торфа, за двадцатипятилетний период, составила 0,71-0,76 см/год, при глубоком дренировании торфяной залежи * 0,93-1,20 см/год. Важнейшим мероприятием по предотвращению чрезмерной осадки и сработки торфа является соблюдение норм и режимов осушения, разработанных для условий Западной Сибири. Для прогнозирования и ре-
гулнровання интенсивности деградации торфяных почв осушаемых мелкими и глубокими дренажными системами предлагаются расчётные формулы:
при экстенсивном осушении:
И = 2НдрТм, (23)
при интенсивном осушении:
Ь = 2^5НЛРТ^, (24)
где: Ь — осадка торфа, см; НдР — глубина заложения дрен, м; Т — продолжи-. тельность осадки, лет,
36
S
1 24
§
-е-
I 12
I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Продолжительность осадки, лет *
Рис. 14. Изменение осадки осушаемого торфа во времени: 1 - центральная Нечернозёмная зона, Яхрома, Ндр=1,7-2,0 м; 2 — Белоруссия, Полесье, Ндр=1,1 м; 3 - Карелия, Ндр=1,0 м; 4 —Западная Сибирь, Ндр= 1,5-1,8 м; 5 - Западная Сибирь, Ндр=1,0-1,2 м.
Исследования показали: применение математических моделей с целью прогнозирования ситуаций в почвах (для последующего управления ходом почвообразовательных и иных процессов в нужную сторону) интересно только лишь в теоретическом плане. Решение даже очень простых уравнений потерь почвы от эрозии даёт ошибки около 400 % (Beer et al., 1966). При применении наиболее совершенных физико-химических моделей приходится решать системы
уравнении описывающих сложные природные процессы адсорбции, разложения и кинетики превращений элементов и т.д. При этом, константы физико-химических преобразований в почвах описывают в обобщённом виде многот численные процессы и сами зависят от комплекса различных факторов. В связи с этим нахождение такой обобщающей константы нереалистично. Поэтому, если приблизительно одинаковые результаты получают при использовании более доступных, простых, дешевых и надёжных методов физических и физико-географических аналогий, то и необходимо такие методы брать для использования (H.H. Моисеев, 1988), . .
Выполненные теоретические расчёты по определению параметров мелиоративных систем, с использованием гидромеханического метода, показывают, что расчёты целесообразно выполнять по формуле С.Ф.Аверьянова. При этом необходимо учитывать мощность и длительность мёрзлого горизонта, его водопроницаемость, оказывающие влияние на интенсивность атмосферного питания торфяных залежей.
8. ПУТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСУШАЕМЫХ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ
Региональные особенности и экологическая безопасность болотных комплексов вызывают необходимость их использования в лугово-кормовых севооборотах, где доминирующая роль принадлежит многолетним травам.На осушаемых почвах продуктивность многолетних трав зависит от пщротерми-ческих условий вегетационных периодов и параметров дренажа. От переувлажнения корнеобитаемого слоя потери урожая значительно больше, чем от недостатка влага в нём. На болотных массивах с экстенсивным осушением они достигают 79 % от максимального полученного урожая (диапазон колебаний 779 %), недобор урожая из-за чрезмерного осушения корнеобитаемой зоны составлял 8-24 % (рис, 15).
Обобщённая кривая приведённых графиков описывается уравнением вида:
У = (25)
где: У- урожайность сена, т/га; У0- урожайность сена при оптимальном положении грунтовых вод, т/га; Н- уровень грунтовых вод, м; а- числовой коэффициент;
R- шдротермический коэффициент; е - основание натурального логарифма.
Урожайность многолетних трав зависит от положения грунтовых вод в зимний период. Снижение их в холодное время года на отметку 1,5-2,0 м обеспечивает увеличение урожайности на 9,7-11,0 % в сравнении с вариантами, где грунтовые воды находятся на глубине 1,0 м.
3s
Максимальная продуктивность многолетних трав получена при влажности почвы за вегетационный период, в слое 0,5 м, равной 65—80 % ПВ. Наибольшая продолжительность такого режима увлажнения наблюдается на системах с
Средний уровень грунтовых вод за май-сентябрь, м
Рис.15. Влияние интенсивности осушения торфяных почв на урожайность сена многолетних трав в разные по водообеспеченности вегетационные периоды: 1 — влажные; 2 - средние; 3 — сухие.
глубиной заложения дрен 1,2, 1,5-1,8 м при расстояниях между дренами соответственно 10, 20-40 м; средняя, многолетняя урожайность составила 6,98, 7,52, 7,44 т/га.
Экономическая эффективность инвестиционных проектов мелиорации почв обусловливается капитальными вложениями в мелиорацию, продуктивностью почв и себестоимостью полученной продукции. Максимальное значение .сальдо приростного потока денежных средств и наименьший срок окупаемости 6 и 5 лет получены на системах с оптимальными, для многолетних трав, параметрами регулирующей сети с глубиной дрен 1,5-1,8 м и расстояниями между ними 20-40 м. Инвестиционные проекты экстенсивного осушения, для выращивания многолетних трав, не рентабельны и вложенные в них капитальные средства не окупаются. При атмосферно-склоновом питании болот экономически эффективными являются системы закрытого дренажа с глубиной заложения регулирующей сети 1,2-1,5 м и расстояниями между дренами.30-40 м.
Энергетической оценкой способов осушения торфяных почв установлено преимущество систем глубокого дренирования по сравнению с экстенсивным
осушением. Если в первом случае значения коэффициентов энергетической эффективности достигают 5,03-5,04, то во втором случае они не превышали 3,35-4,64.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Исследования (1972-2003 гг.) показали, что определяющими факторами в существовании и развитии болотных комплексов умеренного пояса Западной Сибири в естественном режиме эволюции являются геоморфологические, гидрогеологические условия, литологнческий состав отложений, климат, тип водно-минерального питания в сочетании с длительными мерзлотными явлениями. Основой ресурсосберегающих методов мелиорации болотных систем должно стать применение способов осушения на основе систем закрытого дренажа, обеспечивающих дифференцированное доведение водного режима активного слоя торфяной залежи, до уровня б ио климата чес кой нормы,
2. Для осушаемых болот низких надпойменных террас рек ЗападноСибирской низменности установлены общие закономерности внутри годового изменения уровней грунтовых вод: быстрое повышение весной в период снеготаяния на 0,4-0,7 м; летнее снижение на 0,2-0,4 м; кратковременный подъём в середине августа на 0,1-0,2 м; осеннее повышение на 0,1-0,4 м, наблюдаемое в октябре-ноябре и зимнее снижение на 0,2-0,4 м. Наличие грунтово-напорного питания болот определяет выраженную динамичность грунтовых вод и наиболее близкое К поверхности их положение (0,4-1,3 м). При атмо-сферно-склоновом питании грунтовые воды располагаются в более глубоких почвенных горизонтах (1,0-2,4 м) и внутрисезонная амплитуда их изменения незначительная.
Мелиорации болотных систем нарушает существующий природный баланс грунтовых и грунтово-напорных вод. Приток напорных вод в активный слой торфяной залежи увеличивается до 6-13 мм/сут.
В зависимости от типа водного питания болот предлагается применять адаптивные мелиоративные комплексы для осушения длительно сезоино-мерзлотных торфяных почв, которые включают:
- при грунтово-н апорн ом типе водного питания — снегозадержание, профилирование, агротехническую обработку поверхности почв для регулирования поверхностного стока; закрытый систематический дренаж глубиной 1,51,8 м с расстояниями между дренами для однолетних трав 10-20 м, для многолетних трав - 20-40 м;
- при атмосферно-склоновом типе водного питания приоритетным способом регулирования режима фунтовых вод должно быть осушение на основе закрытого дренажа глубиной 1,2-1,5 м с расстояниями между дренами 30-40 м с обязательным регулированием поверхностного стока путём снегозадержания, профилирования, агротехнической обработки поверхности осушаемой площади.
3. Расчётным периодом действия дренажных систем в условиях Западной Сибири является предпосевной, поверочным - летний. На осушаемых торфяных почвах рассматриваемого региона поверхностный сток наблюдается только в периоды снеготаяния, в летние и осенние месяцы сток отсутствует. Коэффициенты стока варьируют от 0 до 0,82 соответственно при интенсивном и недостаточном осушении торфяных залежей. Организация поверхностного стока комплексом агромелиоративных приёмов позволяет обеспечить варьирование коэффициентов поверхностного стока в диапазоне 0-0,95.
На болотных ландшафтах с грунтовым н грунтово-напорным типом водного питания дренажный сток может продолжаться в течение всего года, его величина нередко превышает атмосферные осадки. Для мелиоративных систем с глубиной заложения дрен 1,5-1,8 м коэффициенты дренажного стока изменяются в пределах 0,7-3,2. Показатели максимального стока достигают 1,8 л/(с.га) и 0,36 л/(с.га) соответственно при грунтово-напорном и атмосферно-склоновом питании болотных массивов. В связи с отсутствием универсальных методов определения расчётных модулей стока целесообразно применять региональные разработки, сообразуясь с условиями рассматриваемого природного объекта по принципу физико-географических, аналогий. Расчёт и прогнозирование величины дренажного стока рекомендуется выполнять по предлагаемым формулам. Для болотных систем с грунтово-напорным типом водного питания, используемых под многолетние травы, расчётный модуль дренажного стока составляет 1,1 л/(с.га),
4. В условий Западной Сибири режим влажности болотных почв в значительной мере определяется криогенными процессами п накоплением влаги в промерзающем слое сверх наименьшей влагоёмкости до 95-115 мм за счёт влагопереноса из шгжних почвенных горизонтов и от грунтовых вод. Такое влагосодержание мёрзлого торфа приводит к повышению его водоотдачи в 1,5-2 раза. Это свойство криогенных почв необходимо учитывать при водоба-лансовых и гидрологических расчётах и играет как положительную (в засушливые периоды), так п отрицательную (при выпадении обильных осадков) роль. Влажность почвы у границы мерзлоты в засушливые периоды не опускается ниже 60-65 % ПВ.
5. Многолетними исследованиями на лизиметрах и в поле установлено, что оптимальная влагообеспеченность корнеобитаемой зоны торфяных почв для трав формируется при положении грунтовых вод в осенне-зимний период на глубине 1,3-1,7 м, весной — 0,6-0,8 м, в летние месяцы 0,9-1,1 м для многолетних трав и 1,1-1,3 м — для однолетних. На болотных системах с грунтово-напорным типом водного питания такие условия обеспечиваются закрытыми мелиоративными системами глубиной 1,5-1,8 м с расстояниями между дренами 20-40 м. При осушении торфяных почв закрытым дренажом глубиной 1,0-1,2 м и открытыми каналами с расстояниями 200 м и более формируется режим влажности почвы, не отвечающий оптимальным условиям для растении. Интенсивно осушенные торфяные залежи обладают водоаккумулирую-
щей ёмкостью до 52,5-120 мм. Установлено, что показатели оптимальной влажности почвы варьируют в зависимости от среднесуточной температуры вегетационных периодов. Чем ниже теплообес печен кость, тем меньше значения оптимальной влажности почвы и наоборот.
6. Освоение болотных ландшафтов Западной Сибири способствует снижению снегонакопления на 20-30 % и усилению в них криогенных процессов, затрудняющих окультуривание торфяных залежей и оптимальную организацию сельскохозяйственного производства. Глубина промерзания осушенных органогенных почв в 1,4-2 раза превышает величину промерзания почв целинных болот и достигает 0,6-0,65 М. Дня промерзающих торфяных залежей рассматриваемого региона установлено наличие двух периодов в динамике промерзания, различных по интенсивности. Первый период характеризуется максимальной скоростью нарастания мёрзлого слоя (до 1,4 ш/сут\ его окончание совпадает с образованием снежного покрова высотой 0,15-0,25 м. Второй период продолжается до наступления наибольшего промерзания с интенсивностью этого процесса 0,06-0,42 см/сут. Для уменьшения глубины промерзания почв в 1,5-2,0 раза предлагается проводить снегонакопление в начале зимнего периода слоем 0,25-0,30 м и организацию на осушаемой, закрытыми дренажными системами, площади защитных песо кустарниковых полос с расстояниями между ними 200-250 м,
7. При глубоком антропогенном воздействии на органогенные почвы, когда ведущим фактором является осушение, из-за высокой скорости промерзания почв и незначительного увеличения влажности в мёрзлом горизонте он принимает вид пористой среды. Содержание свободных ото льда пор достигает 20-28 %. На слабоосушенных и целинных болотных ландшафтах скорость промерзания в 1,8-3,5 раза меньше. Это способствует накоплению влаги в мёрзлом горизонте до значений полной влагоёмкости и он становится практически монолитным. Для расчёта и прогнозирования динамики промерзания, осушенных почв болотных систем, определения количества незамёрзщей воды в мёрзлой почве, предлагаются расчётные зависимости.
8. Характерной особенностью в оттаивании болотных почв Западной Сибири является длительность, связанная с природно-климатическими условиями и гпдроггермическимн характеристиками мёрзлых почв. Полное их раз-мерзание наступает в период с третьей декады мая до конца июня. Интенсивно осушенные торфяные залежи оттаивают на 10-12 дней раньше, чем слабо-осушенные. Для характеристики динамики размерзания Мёрзлых почв находящихся, в рациональном режиме осушения, предложена формула. Установлено, что интенсивно осушаемые торфяные почвы в мёрзлом состоянии фильтруют воду при определённом сочетании их гидротермических характеристик. Водопроницаемость мёрзлых гндроморфных почв в 3-5 раз ниже соответствующих показателей талых почв. Прогнозирование фильтрационных свойств мёрзлых торфов предлагается выполнять по методике адаптированной к местным условиям.
Температурный режим торфяных почв в летний период обусловлен их криогенными условиями в начале вегетации. Глубокое промерзание и длительное оттаивание болотных ландшафтов сокращает продолжительность периодов с эффективными и активными температурами в корнеобитаемом слое торфяной залежи. Установлено, что применение способов интенсивного осушения гидраморфных почв способствует повышению их температуры на 1,3-2,7^0. Внесение минеральных компонентов (песок и глина) в корнеобятйемую зону осушаемых торфяных почв, в количестве 350-400 т/га, обеспечивает повышение температурного режима на 3,7-5,2°С. Для расчёта и прогнозирования температурного режима корне обитаемой зоны предлагается методика, адаптированная к природно-климатическим условиям Западной Сибири.
10, Мелиорация болотных систем приводит к существенной трансформации органической и минеральной составляющей торфяной залежи. На болотных массивах с грунтово-напорным типом водного питания эти процессы идут в 1,5-2,4 раза медленнее, чем при атмосферно-склоновом питании. Наибольшие изменения (до 48 %) основных почвенных характеристик отмечаются в корнеобитаемом слое и происходят в первые 2-3 года после осушения. В дальнейшем этот процесс замедляется. Для сохранения динамической устойчивости болотных ландшафтов рекомендуется их адресно-очаговый характер освоения и использование в качестве систем лугового типа. При выращивании пропашных культур в 4-12 раз быстрее возрастают значения основных физических характеристик органического вещества по сравнению с торфяными почвами, занятыми многолетними травами. Установлено, что осадка гидроморфных почв подчиняется строго географической зональности, увеличиваясь с севера на юг. При этом общие закономерности в её динамике аналогичны данным, полученным в других регионах страны. На болотных системах, осушаемых глубоким дренажом (1,5-1,3 м) и используемых под многолетние травы, средняя интенсивность осадки торфа за 25 лет составила 0,931,2 см/год, при осушении открытыми каналами и закрытым дренажом глубиной 1,0-1,2 м - 0,71-0,76 см/год. Предлагаются зависимости, характеризующие связь между отдельными водно-физическими характеристиками органогенных почв, а также формулы, позволяющие рассчитывать общую сработку торфа, прогнозировать и регулировать деградацию торфяных залежей.
11. Региональные особенности гидроморфных почв, обеспечение их экологической безопасности вызывает необходимость применения рациональных способов осушения и использования потенциального плодородия болотных систем в лугово-кормовых севооборотах, где доминирующая роль принадлежит многолетним травам. Установлено, что продуктивность трав снижается от переувлажнения значительно больше, чем от недостатка влаги в корнеоби-таемой зоне. Максимальная продуктивность однолетних и многолетних трав получена при средней влажности почвы за вегетационный период соответственно 60-70 и 65-80% ПВ.
Наибольшая эффективность инвестиционных проектов мелиорации болотных ландшафтов с грунтово-налорным типом водного питания достигается при использовании закрытых дренажных систем с глубиной дрен 1,5-1,8 мне расстояниями между ними 20-40 м. Сроки окупаемости капитальных вложений на создание рациональных мелиоративных систем составляют 5-6 лет. Проекты, предусматривающие мелкое заложение дрен и открытую регулирующую сеть экономически не выгодны.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
1. Гидрологическое действие дренажа на торфяных почвах юга Тюменской области // Роль науки и передового опыта в повышении эффективности и качества сельскохозяйственного производства, - Тюмень, 1979,- С.28-30.
2. Изменение температурного режима торфяников под воздействием осушения // Роль науки к передовото опьгга » повышении эффективности я качества сельскохозяйственного производства. - Тюмень, 1979. -С. 61-63.
3. Режим дренажного стока при осушении закрытым дренажом торфяных почв Северного Зауралья // Тр. НИИСХ Северного Зауралья. Поиск и творчество молодых проблемам развития сельского хозяйства Западной Сибири. - Тюмень, 1931,-С, 38-40.
4. Водный и тепловой режимы торфяных почв юга Тюменской области при осушении материальным дренажом ! Кн. Проблемы закрытого дренажа в Сибири и на Дальнем Востоке. Тюмень, 1982. - С. 55-58,
5. Осушение торфяных почв гончарным дренажом в условиях Тюменской области // Тр. ШШСХСеверного Зауралья.-Тюмень, 1982.-С. 34-35.
6. Способы осушения торфяников в заболоченной зоне трассы переброски стока Сибирских рек / Кн. Осушение земель в гумидной зоне СССР. - М., 1983, - С. 132-137 (в соавторстве t В.М.Калининым и В.Ф-Ходаковым).
7. Режим грунтовых вод торфяно-болотных почв Северного Зауралья при осушении гончарным дренажом // Труды НИИСХ Северного Зауралья. - Тюмень, 1983. - С. 19-20.
8. Формирование режима грунтовых вод в период весеннего половодья на осушаемых торфяных почвах Зауралья // Повышение надежности и эффективности действия осушительных систем в природных и погодных условиях. — ЦБНТИ Мннводхоза СССР. - М., 1984.-С. 14-20.
9. Осушенке торфяных почв Тюменской области закрыть|м дренажом / Кн, Актуальные »опросы осушения земель Сибири. - М., 1935.- С, 47-55,
!0, Влияние интенсивности осушения на урожайность многолетних трав в условиях юга Тюменской области // Тр. НИИСХ Северного Зауралья, - Тюмень, 1987, —С. 24-31,
11, Система ведения сельского хозяйства Тюменской области: Рекомендации СОВА.СХ-НИЛ. - Новосибирск, 1987, — 258 с, (в соавторстве).
12, Зональная система земледелия Тюменской области: Рекомендации COBACXHÎIJI. -Новосибирск, 1989. - 444 с, (в соавторстве).
13, Мелиорация переувлажненных земель - резерв кормовой базы И Тр. НИИСХ Северного Зауралья. -Тюмень, 1990, - С. 36-38.
14, Влияние осуикння торфяных почв закрытым дренажом на урожайность многолетних трав//Тр. НИИСХ Северного Зауралья.-Тюмень, 1990, - С. 78-86,
15, Мелиорация шшшных болот - необходимое условие развития кормовой базы Северного Зауралья //Тр. НИИСХ Северного Зауралья. - Тюмень, 1990. -г-С, 38-43,
16. Опыт осушения низинных болот Западной Сибири // Мелиорация и водное хопяПст-во.— 1991,-№ 5.-С. 14-16.
17. Осушение замкнутых понижений сельскохозяйственных угодий лесостепной зоны Западной Сибири//Мелиорация и водное хозяйство,- 1995,- № 3,- С. 11-13,
18. Осушение притеррасных болот с иапорно-грунтовым водным питанием // Мелиорация« водное хозяйство, - 1995. -№ 5, - С. S-10 (в соавторстве с ДХФедченко).
19. Гидротермические условия работы дренажных систем в зоне длительного сезонного промерзания //Мелиорация и водное хозяйство, - 1996,- № 1.-С. 10-12, .
20. Регулирование водного режима почв замкнуты; понижений сельскохозяйственных угодий Тюменской области // Тр, ТГСХА. Аграрная наука и образование в условиях аграрной реформы в Тюменской области. - Тюмень, 1997. - С. 62-65,
21. Технологические параметры осушения низинных торфяников грунтово-напорного типа водного питания для возделывания кормовых культур // Аграрная наука и образование в условиях аграрной реформы в Тюменской области. - Тюмень, 1997,- С, 65-68 (в соавторстве с А.С.Покотило).
22. Процесс промерзания и оттаивания осушаемых сезонио-мерзлотных почв Северного Зауралья / Сб. Материалы научных чтений посвященных ЮО-летию закладки первых полевых опытов И.И.Жилннским.- Новосибирск, 1997, - С. 123-126.
23. Способы регулирования водного режима почв замкнутых понижении в условиях Тюменской области U Тр. ТГСХА. Теоретические и прикладные основы ресурсосбережения в сельском хозяйстве. —Тюмень, 1999, - С. 56-59,
24. Расчёт теплового режима осушаемых торфяно-болотных почв Западной Сибири // Тр. ТГСХА, Аграрная наука на рубеже веков. - Тюмень, 1999. - С. 49-51,
25. Параметры мелиоративных систем при осушении торфяников западной Сибири//Тр, ТГСХА, Теоретические и прикладные основы ресурсосбережения в сельском хозяйстве. -Тюмень, 1999. —С. 60-63
26. Водно-воздушный режим осушаемых торфяно-болотных почв Западной Сибири // Тр. ТГСХА.-Тюмень, 1999.-С. 20-23.
27. Приемы повышения плодородия почв в Северном Зауралье // Сб. Проблемы деградации и сохранения плодородия почв, - Ставрополь, 2002. - С. 314-320,
28. Режим влажности осушаемых торфяных почв Зауралья II Тр. ТГСХА. - Тюмень, 2002. - С, 31-35 (в соавторстве с В.А.Антроповым).
29. Водный режим низинных болот Западной Сибири при их мелиорации I! Тр. ТГСХА,' - Тюмень, 2003. - С. 48-54.
31. Влияние водного режима осушаемых торфяных почв и удобрений на продуктивность сельскохозяйственных культур // Плодородие, - 2005,- №6. - С. 35-36.
32. Влияние мерзлоты на осушающее действие дренажных систем в весенний период // Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук,- 2005. - №5, — С, 40-42.
33. Водный режим низинных болот Западной Сибири при их мелиорации // Вестник Тюм. гос. универ. 2006. - № 1. - С, 131-138.
34. Динамика промерзания и оттанвання осушаемых длительно-мерзлотных болотных ландшафтов Западной Сибири // Мелиорация и водное хозяйство,- 2006, - №3 , - С.
35. Тепловой режим осушаемых болотных почв подзоны подтайгн // Вестник Тюм, гос. универ.—2006. - № 1. —С, 138-142,
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова Россельхозакадемии Москва, 127550, ул. Большая Академическая, 44. Подписано к печати 19.05.2006 г. Заказ №15 Тираж 100 экз.
-
Новохатин, Василий Васильевич
-
доктора технических наук
-
Саратов, 2006
-
ВАК 06.01.02
- Методы мелиорации длительно-сезонно-мерзлотных почв болотных систем Западной Сибири
- Методы мелиорации длительно-мерзлотных почв болотных систем Западной Сибири
- Мерзлотные почвы Центральной и Южной Якутии, их особенности и освоение
- Изменение свойств торфяных почв Северного Зауралья при сельскохозяйственном использовании
- Генезис и рациональное использование гетероземов
