Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Технология мелиорации органогенных почв при наличии сапропелей

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Технология мелиорации органогенных почв при наличии сапропелей"

БЕЛОРУССКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи

УДК 626.8 : 631.445.12 :636. 86

ПШИХОДСКИЙ ГЕННАДИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ МЕЛИОРАЦИИ ОРГАНОГЕННЫХ ПОЧВ ПРИ НАЛИЧИИ САПРОПЕЛЕЙ

Специальность: 06.01.02 — Мелиорация и орошаемое земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1992

Работа выполнена в Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки БССР,

академии ВАСХНИЛ, доктор технических наук,профессор

А. И. Мурашко

Официальные оппоненты: академик ВАСХНИЛ,

доктор технических наук,

профессор

М. М. Севернев;

доктор технических наук

профессор

П.И.Закржевский

Ведущее предприятие — Белгипроводхоз

. Защита состоится 30 октября 1992 года в 10 часов на заседании специализированного совета Д 099.03.01 при Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства (БелНИИМиВХ).

Адрес: 220430, г. Минск, ул. М. Горького, 153.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БелНИИМиВХ.

Автореферат разослан 21 сентября 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук, А. П. Лихацевич

старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В системе мероприятий по обеспечению ускоренного подъема сельского хозяйства, мелиорации земель в Республике Беларусь отводится одно из центральных мест. Болотные и заболоченные земли занимают в республике 7,5 млн. гектаров или 36,3% всей территории. Коренное улучшение этих угодий дает возможность получать на них высокие, устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур.

Вместе с тем, строительство осушительных систем, особенно в поймах рек, представляет значительные технические трудности, поскольку под торфом часто встречаются разного характера неустойчивые грунты: истинные плывуны, псевдоплывуны и сапро-пели. Над сапропелями, как правило (87% всех случаев), залегают сплошные осоковые, древесно-кустарниковые и другие виды низинного торфа мощностью 0,2-3 м и более. Сроки строительства проводящей и регулирующей сети на торфяно-сапропелевых болотах недопустимо затягиваются, в связи с чем возникает вопрос об экономической целесообразности их осушения. В то же время ликвидация мелкоконтурности сельскохозяйственных угодий вынуждает идти на осушение торфяно-сапропелевых участков.

Мелкие торфяники нередко подстилаются оглеенными горизонтами, а на границе с минеральным грунтом залегают тонкие (5г15 см) слои сапропелевых илов, пресноводных мергелей и т.п., которые обладают крайне низкими коэффициентами фильтрации. Наличие на относительно небольшой глубине слабопроницаемой прослойки обуславливает сложность осушения таких площадей. Аналогичные условия встречаются и на автоморфных почвах с за-падинным рельефом.

Из-за недостаточной изученности способов осушения таких участков принятые решения часто бывают неэффективными, технически слабо обоснованными. В то же время все возрастающие требования, предъявляемые к надежности и долговечности строящихся осушительных систем, предопределяет необходимость повышения на качественно новую ступень точности и достоверности изыскательских материалов, прогнозов изменения в процессе осушения режимов уровней воды, фильтрационных, прочностных и деформационных характеристик грунтов.

Рационализация методов и способов производства работ на основе применения высокопроизводительной техники может быть достигнута только на основе изучения строительных свойств пере-

увлажненных грунтов, обобщения большого производственного опыта выполнения работ в торфяно-сапропелевых грунтах.

Цель и задачи исследований. На основе анализа и обобщения имеющихся материалов и выполнения комплекса опытно-производственных работ в натурных условиях усовершенствовать способы осушения торфяно-сапропелевых месторождений, обеспечивающие устойчивость мелиоративной сети при снижении трудозатрат и стоимостных показателей.

В задачи исследований входило:

— анализ способов осушения торфяно-сапропелевых болот, применяемых в практике отечественного и зарубежного мелиоративного строительства;

— типизация природных условий торфяно-сапропелевых залежей, обоснование расчетных схем и способов предварительного осушения;

— разработка технологических процессов по строительству сети предварительного осушения и выявление возможности повышения производительности одноковшовых и многоковшовых экскаваторов;

— усовершенствование способов осушения западин и понижений;

— разработка методов расчета мелиоративной сети при трансформации мелкозалежных торфяно-сапропелевых болот в органо-минеральные почвы.

Методика исследований. Работа выполнена путем проведения комплексных экспериментальных и теоретических исследований Проверка и уточнение основных результатов исследований, а также опытно-производственные эксперименты проводились на объектах "Калиновский", "Коминтерн" и "Друть" Белыничского района Могилевской области. Оценка эффективности построенные опытных осушительных систем осуществлялась по уровням ста яния грунтовых вод (УГВ), пьезометрическим уровням и дренаж ному стоку, а также агромелиоративному состоянию осушаемы) земель.

Научная новизна. Выполнена типизация схем и способов осу шения торфяно-сапропелевых болот. Подтверждена высокая эф фективность комплексных методов проведения инженерных изы еканий на торфяно-сапропелевых болотах с применением методо электроразведки. Предложена технологическая схема предвари тельного осушения и строительства регулирующей осушительно сети на торфяно-сапропелевых залежах с организацией сброс транзитного расхода в обход осушаемого участка. Предложен спс

соб осушения западин, приканальных, придамбовых и придорожных зон методом локальной инверсии литологии пластов, а также исследована технология трансформации мелкозалежных торфяно-сапропелевых почв методом мелиоративной вспашки специальными плугами. Разработан метод фильтрационных расчетов регулирующей мелиоративной сети на трансформированных участках.

Практическая значимость. В результате проделанной работы уточнены особенности торфяно-сапропелевых залежей и выявлены причины неудовлетворительного осушительного действия на них сети предварительного осушения. Предложены способы осушения, позволяющие сократить сроки освоения торфяно-сапропелевых болот. Разработан способ осушения понижений методом локальной инверсии литологии пластов.

Материалы исследований вошли в ряд нормативно-методических документов (Рекомендации по технологии трансформации мелкозалежных торфяников методом мелиоративной вспашки специальными плугами. Мн: 1983; Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение: Справочник. МЛ 985).

Основные положения, выносящиеся на защиту: При планировании и проведении мелиоративных работ на торфяно-сапропелевых болотах необходимо резко увеличить детальность гидрогеоло гических и почвенных изысканий, используя методы электроразведки, обязательно проектировать предварительную осушительную сеть, работы выполнять в 2-3 этапа при строгом соблюдении технологических процессов.

Практика осушения торфяно-сапропелевых болот без сети предварительного осушения не отвечает возрастающим требованиям, предъявляемым к надежности и долговечности строящихся мелиоративных систем. Эффективность дренажных мероприятий существенно зависит от влажности почвы и погодных условий в период их выполнения. Сброс транзитного расхода в обход осушаемого тсрфяно-сапропелевого участка или разделение потока обеспечивают приемлемые условия проведения строительных работ. При сильно изрезанном микрорельефе и сложной литологии (наличии плохофильтрующих прослоев) достичь существующими методами надлежащего мелиоративного состояния на осушаемом объекте чрезвычайно сложно. Предложенный новый способ осушения западин, "блюдец", приканальных, придамбовых и придорожных зон методом локальной инверсии литологии пластов, а также метод расчета расстояний между закрытыми собирателями (траншеями-поглотителями) позволяют получить эффективное решение.

Трансформация мелкозалежных торфяников, подстилаемых сапропелями, в квазиминеральные почвы путем специальной мелиоративной вспашки (запашки), а также метод расчета расстояний между регулирующей сетью позволяют существенно улучшить условия осушения таких участков и на 20-40% увеличить расстояния между регулирующей сетью с соответствующим уменьшением капитальных вложений в расчете на гектар осушения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и предложений, списка цитированной литературы и приложений.

Объем диссертационной работы составляет 156 страниц, включающих 40 рисунков, 17 таблиц, 2 схемы, 7 приложений.

Список цитированной литературы включает 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе — "Анализ состояния исследований по осушению торфяно-сапропелевых месторождений" освещаются вопросы, связанные с установлением закономерностей распространения и формирования торфяно-сапропелевых залежей на территории Республики Беларусь проанализированы существующие технологии мелиоративных работ.

В настоящее время термин "сапропель" употребляется для определения отложений континентальных водоемов, содержащих не менее 15% органического вещества, структурных остатков микроскопических водных организмов, неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральных примесей привносного характера. Исследованиями С.Н.Тюремного, А.П.Пидопличко, М.А.Конойко и других установлено, что условия образования, свойства и стратиграфия торфяно-сапропелевых месторождений определяются многими факторами, среди которых доминируют геоморфологические и геолого-гидрогеологические. На территории республики разведано 217 месторождений сапропелей, погребенных под торфом, общей площадью 35 тыс. га. В среднем площадь торфяно-сапропелевых залежей в республике составляет 168, 4 га, из общего числа торфяно-сапропелевых массивов около 70% составляют болота площадью от 12 до 245 га.

Подстилаемые сапропелями торфяные залежи практически повсеместно относятся к топяному и лесо-топяному подтипу болот.

Естественная влажность торфа закономерно возрастает с глубиной, достигая максимума вблизи границы раздела с сапропелями. В сапропелях наблюдается обратная картина, в направлении к минеральному дну их влажность снижается. Прочностные показатели торфяной залежи снижаются по глубине, наименьшей прочностью обладают слои торфа вблизи границы раздела.

По условиям водного питания эти месторождения относятся к типу болот преимущественно грунтового и грунтово-напорного питания, о чем свидетельствует превышение пьезометрических уровней над уровнями стояния верховодки. Исследованиями Л.П. Зеленка, A.A. Моркуса, Ц. Гуземана, Н. Паелке, П. Илинецкого, Г. Лупы, 3. Пядикке и других установлено, что сложность осушения торфяно-сапропелевых болот в значительной мере определяется типом водного питания залежей, граничными условиями потоков, стратиграфическим строением. В работах С.Ф. Аверьянова, A.A. Моркуса, А.И. Мурашко и Г.А. Щербакова, Э.Б. Сенють, А.Д. Брудастова, А.И. Ивицкого, В.Ф. Карловского и других показано, что для обеспечения высокопроизводительного использования строительной техники, улучшения строительных свойств слабых грунтов, а также с позиции качества дренажа, УГВ на осушаемых площадях во время производства дренажных работ должны отстоять не менее чем на 0,5f0,6 м от дневной поверхности залежи.

В научной и нормативной литературе нет конкретных рекомендаций по технологическим разрывам, оплате труда экипажей экскаваторов и технологической схеме постепенной разработки выемки канала и расчетов по выработке одноковшовых экскаваторов. Часть авторов отмечают, что вообще осушение дренажем торфяно-сапропелевых болот грунтово-напорного питания при мощности торфа до 1,2 проблематично. С этим следует согласиться.

Общепризнанным является то, что важным условием повышения производительности дренажных работ при осушении торфяно-сапропелевых залежей является улучшение строительных свойств слабых грунтов, то есть их упрочение. Для этого следует предусматривать мероприятия по предварительному водопонижению. Заслуживают, внимания и вопросы осушения западин и понижений на торфяных залежах, постиляемых маломощными (до 0,5 м) сапропелями.

Для осушения большинства торфяно-сапропелевых болот требуется более тщательное проведение инженерных изысканий. Использование при геолого-гидрогеологических исследованиях метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и естест-

Типизация торфяно-сапропелевых болот по сложности

технологии осушения _Таблица I_

Категории сложности осушения Учитываемые факторы

Геоморфологическая приуроченность Стратиграфический разрез

Средней сложности

Поймы рек надпойменные террасы пределах

водно-ледниковых

озерно-ледниковых

равнин

и Мощность торфяной в залежи не менее Зм.

Толщина сапропелей, и торфа, подстилающих залежь минеральных

грунтов выдержана по проектированию

Простые

рек, старицы, берега озер, балок

Поймы низинные днища

донно-моренных равнин, . проточные котловины конечно-моренного рельефа

Мощность торфяной залежи не менее 1,8 м. Толща - торфа, сапропелей закономерно изменяется по простиранию

Сложные

Низкие участки пойм, ложбины стока талых ледниковых вод, проточные и слабо-проточные котловины конечно-моренного рельефа

Мощность торфяной залежи не менее 1,2 м. Водно-физические свойства торфа, сапропелей,

подстилающих минеральных грунтов изменяются по глубине и в пладе скачкообразно и

незакономерно

Особые Замкнутые понижения и Мощность торфяной

впадины в пределах залежи низинного и

высоких участков переходного типов не

водно-ледниковых равнин превышает 1,2 м холмисто-моренного

Типизация торфяно-сапропелевых болот по сложности технологии

осушения Таблица I

Учитываемые факторы

Гидрогеологические условия

Рекомендуемые способы

Основные методы расчета регулирующей сети

1). Пьезометрические уровни в течение расчетного периода устанавливаются на глубине 0 -0,6 м от поверхности залежи. Глубина залегания кровли регионального водоупора,

отсч1гтываемая от подошвы сапрпелевого слоя m >20м. Проводимость водоносного горизонта подстилающих

минеральных грунтов Т > 200 м кв. /сут.

Пьезометрические уровни в подстилающих залежь

минеральных грунтах

устанавливаются вблизи и выше дневной поверхности. Торфяная залежь обводнена неравномерно. В

региональном водоупоре

существуют очаги размыва

Пьезометрические уровни устанавливаются выше дневной поверхности залежи. Глубина стояния верховодки не превышает 0,2 -4 м. Взаимосвязь между

поверхностными и фунтовыми водами в границах залежи осуществляется через толщу сапропелей

Взаимосвязь между

поверхностными и

грунтовыми водами

незнач>1,о»ч,я или

отсутствует. Приток чур., слабопроницаемую толщу сапропелей не превышает 10% приходных статей водного баланса

Аналитические формулы

Вертикальный дренаж открытая сеть, горизонтальный систематический дренаж

открытая сеть, горизонтальный систематическт"! дренаж,

дополненные самоизливающимися вертикалы п.гчи скважинами открытая сеть гор! гк* палы 1ый

Выборочный вертикальный, То же комбинированный и

горизонтальный систематический дренаж. Регулирующая осушительная сеть устраивается после предварительного осушения мелиорируемых площадей в течение 3-12 месяцев.

Выборочный вертикальный Аналитические формулы комбинированный и фрагментарное

горизонтальный систематический моделирование, численные дренаж. Регулирующая методы

осушительная сеть устраивается после предварительного

осушения мелиорируемых

площадей в течение 1-5 лет мелкой открытой сетью, дополненной кротовым или щелевым дре! ижем

Способы осушения

нуждаются в дальнейшем изучении и обосновании

Не разработаны

венных потенциалов (ЕП) в сочетании с бурением параметрических скважин позволило при разносе питающих линий АВ до 300 м произвести топологическое расчленение исследуемых толщ на глубину 70-100 м, где четко выделяются места с напорностью вод. Данные резистивиметрии свидетельствуют о том, что удельное электрическое сопротивление сапропелей различного вида и состава изменяется в относительно небольшом интервале и достоверно отличается от сопротивления торфа и подставляющих минеральных фунтов. Достаточная простота работ по ВЭЗ и ЕП, высокая их точность и информативность является основой для внедрения методов при изысканиях торфяников, подстилаемых сапропелями.

На основе учета геоморфологической приуроченности торфяно-сапропелевых массивов, особенностей их стратиграфического строения, мощности торфа, геолого-гидрогеологических условий, оказывающих существенное влияние на технико-экономические показатели проектов осушения, предлагается подразделять торфя-но-сапропелевые залежи на четыре категории: простые, средней сложности, сложные и особые. Примерная классификация категорий сложности и рекомендуемых способов осушения торфяно-сап-ропелевых болот в гумидной зоне приведены в таблице 1.

Во второй главе "Технология осушения торфяно-сапропелевых болот" отмечено, что строительство гидромелиоративных систем при осушении торфяно-сапропелевых болот представляет значительные трудности, а принимаемые решения часто бывают технически недостаточно обоснованны. Пока, несмотря на многочисленные предложения, нет универсальной технологии по осушению таких болот. Отсутствуют также обоснованные рекомендации по организации строительства каналов с использованием одноковшовых экскаваторов с учетом изменяющихся грунтовых и гидрогеологических условий на трассах. Не отработана технология строительства каналов при наличии на трассе заторфованных озер с погребенными сапропелями.

Изучение и совершенствование технологии строительства осушительной сети проводилось на опытном участке "Калиновский" в Белыничском районе Могилевской области, в пойме р. Клевы. До осушения он представлял собой болото, заросшее кустарником и мелколесьем. В 1970 году начались работы по осушению верховая р. Клевы. Работы завершены в 1974 году. Д па о»гшсЯИЯ рекомендовалось понижение т,------ вод> т-е- В°Д верхнего горизонта,

—-...риоамного от нижележащих, и регулирование стока. В связи с чем было намечено, в зависимости от сельскохозяйственного использования земель, строительство систематического гончарного

дренажа и перехват поверхностных вод со стороны водосбора нагорными каналами. Осуществление указанных мероприятий не дало положительного результата: участок был недосушен, в пойме дренаж заложить не удалось. Для изучения эффективности сети предварительного осушения в торфяно-сапропелевых грунтах запроектировано несколько специальных систем.

Практические эксперименты на типичных болотах в поймах рек показали, что особую сложность при строительстве каналов вызывают участки бывших озер и стариц, на которых, как правило, залегают сапропели очень малой плотности. Строительство мелиоративной сети на впервые осушаемых торфяно-сапропелевых болотах вызывает существенные затруднения из-за слабой несущей способности грунтов и больших деформаций каналов вследствие текучести сапропелей. Строительство регулирующей и проводящей сети на этих участках можно осуществить только после предварительного их осушения временной неглубокой сетью в течение 6f 12 месяцев и более. При том, при первом проходе (этапе), глубина каналов должна быть меньше глубины покровного торфа на 20f30 см для предупреждения возможного прорыва сапропелей в русло.

При мощности сапропелей более 1 м желательно трассы открытых коллекторов выносить за пределы торфяно-сапропелевых участков. При этом можно устраивать ответвления, сечения которых определяются гидравлическим расчетом. Строительство закрытого дренажа на торфяно-сапропелевых месторождениях можно осуществлять только после предварительного их осушения временной открытой сетью каналов.

Производительность одноковшовых экскаваторов, зависящая от категории разрабатываемого грунта и условий работы и учитываемая коэффициентом влияния К, колеблется в очень широких пределах. По данным С.Г. Солопова, А.М. Романенко и др. при разработке торфяных грунтов коэффициент К=0,68Ю,85, а для сапропелей данные вообще отсутствуют.

Исследованиями на опытных участках установлено, что при устройстве пионерных траншей и доработке их из-под воды в торфяно-сапропелевых грунтах экскаваторы используются непроизводительно, а значения К в сильной степени зависят от глубины воды в забое (табл.2). При глубине воды в забое более 1,0 м практически экскаваторы работают с потерей производительности на 50.70%. Это обстоятельство должно учитываться при разработке нормативов и организации работ. Нужно по-возможности уменьшать глубины воды в забое.

В процессе строительства дренажа многоковшовыми экскаваторами из-за сложности условий и организационых неурядиц теряется до 50% рабочего времени на всевозможные простои (табл.3). Правильная организация труда при работе строго по технологической схеме позволяет увеличить производительность траншейных дреноукладчиков ЭТЦ 202 на 20^35%, а выработка может достигать 1000-1100м за смену (табл.4).

С целью достижения требуемого качества дренажных работ на торфяно-сапропелевые участки должны направляться только высококвалифицированные бригады, имеющие достаточный опыт строительства дренажа в сложных условиях.

В третьей главе "Трансформация мелкозалежных торфяников, подстилаемых плохофильтрующими прослоями, в квазиминеральные почвы" рассмотрен вопрос осушения болот, на которых мелкий торфяник подстилается относительно небольшой прослойкой плохофильтрующих илистых или сапропелевых отложений. Осушение таких объектов представляет существенные трудности, приходится значительно сгущать регулирующую сеть и, кроме того, водный режим на таких освоенных площадях отличается неустойчивостью. В период избытка атмосферных осадков на этих почвах происходит быстрый подъем уровней грунтовых вод почти до поверхности, а в засушливый период растения испытывают недостаток влаги, так как затруднен капиллярный переток с нижних горизонтов.

Таблица 2

Значения коэффициента К при разработке торфяных и сапропелевых грунтов одноковшовыми экскаваторами.

Емкость ковша, мЗ Значение коэффициента К при разработке Глубина воды в забое, м

торфа с корнями травы торфа с корнями кустарников сапропеля

0,5 0,7 0,67 0¿0

0,65 0,73 0,70 0,33 0,2-0,3

0,80 0,75 0,70 0,34

1,10 0,81 0,79 0,38

0,5 0,69 0,66 0¿9

0,65 0,70 0,69 0,30 до0,5

0,80 0,74 0,70 0,32

1,10 0,79 0,77 0,35

0,5 0,64 0,60 0,27

0,65 0,65 0,62 0,28 до 1,0

0,80 0,67 0,64 0,26

1.10 0,70 0,70 0,28

Таблица 3

Фактическая и возможная производительность дреноукладчика ЭТЦ-202 в смену

В том числе в % к рабочему времени

Продолжительность работы в часах Технологические простои Про- Коэффициент использования, К

переезды заправка трубы обрывы стекло-холста смена рулона сматывание труб Экскавация Подго-тови-тельные работы стои 110 организационным причинам Простои из-за условий работы

Среднеепо 7 11,7 10,1 1,48 1,88 0,65 52 13,5 8,55 0,14 0,52 наблюдениям 100

Возможное 7 8 7,5 - 2,0 - 70 11,0 - 1,5 0,7 100

Таблица 4

Коэффициент использования дреноукладчика ЭТЦ-202 в смену

Грунт ; Средняя выработка за 1 час экскавации, пог. м к Возможная выработка в смену, м Фактическая сменная выработка, м.

Торф глубокий более 4,0 м 224 0,7 1100 840

Пески и суглинки 193 0,7 945 736

Практика земледелия показывает, что наилучшие условия для выращивания полевых культур на торфяных почвах, подстилаемых илистыми и сапропелевыми прослоями, создаются при содержании в пахотном слое 50...70% минеральной части, включая естественную зольность. Достичь этого можно путем искусственного обогащения торфяных почв добавками минерального грунта (песка, супеси, суглинка), то есть путем их структурной мелиорации.

В мировой мелиоративной практике уже около 150 лет применяются два способа добавок минерального грунта: смешанный и насыпной. При смешанном, минеральный грунт вносится на поверхность торфянника и перемешивается с ним при обработке, при насыпном — обрабатывается только покрывающий торфяную залежь минеральный слой толщниной в Ют 12 см.

Известны 4 способа доставки минерального грунта на торфяной массив: транспортом с последующим разравниванием, разбрасывателями в виде мульчи слоем 0,5г1,0 см, гидронамывом, срезом соседних минеральных бугров скреперами с доставкой и распределением по поверхности торфяника. Однако ни одна из указанных технологий не получила распространения из-за большой трудоемкости и стоимости работ.

Начиная с 50-х годов в Нидерландах и ФРГ, благодаря появлению мощных тракторов и специальных плугов, получил распространение новый способ трансформации торфяников. Сущность трансформации заключается в глубокой вспашке (запашке) мелкозалежного торфяника специальным плугом с оборотом пласта на 110,1140* и образованием нового почвенного профиля в виде песчаного пахотного горизонта, содержащего небольшой процент органики, под которым залегают наклоненные под углом около 45е чередующиеся слои торфа с прослоями из песка (супеси). Примерная схема представлена на рис.1. В результате трансформации (глубокой запашки) образуется достаточно плодородный почвенный профиль с хорошими дренирующими свойствами и высокой влагоемкостью.

Трансформация торфяников в квазиминеральные почвы путем глубокой вспашки (запашки) осуществляется одно- и двухярусными плугами специальной конструкции, агрегатируемые с одним или двумя мощными тракторами. Глубина вспашки по зарубежным данным (К. Ильнер, X. Кунтце, Р. Эггельсманн и др.) достигает 2,0^2,2 м.

Рис.1. Схема трансформации торфяника в квазиминеральные почвы: а — естественный профиль, б — после глубокой вспашки, в — после выравнивания и обычной вспашки, 1 — торф, 2 — плохо фильтрующий прослой (ил, сапропель), 3 — песок, 4 -- глубина вспашки.

В СССР созданы (ЦНИИМЭСХ, П.П. Казакевич, БелНИИ-МиВХ, В.П. Овешников и др.) аналогичные агрегаты глубинной вспашки до 1,5 м, которые прошли предварительные испытания и рекомендованы к внедрению.

В целом в Западной Европе (ФРГ, Нидерланды), Австралии и др. площади трансформированных торфяников исчисляются сотнями тысяч гектаров. В СССР они пока превысили только тысячу гектаров.

Зарубежный и отечественный опыт ( в частности и небольшой наш, проведенный совместно с В.И. Белковским и П.П. Казакевичем на объекте "Друть" в Белыничском районе Могилевской области с применением агрегата ПТН-0,9) свидетельствуют о том, что запашка органогенного слоя подстилаемым песком с трансформацией торфяных почв в квазиминеральные позволяет:

— изолировать торф от контакта с атмосферой и тем самым предохранить его от ветровой эрозии, быстрой минерализации, пожаров;

— повысить фильтрационную способность почвы, значительно увеличив вертикальное передвижение излишней влаги с одновременной аккумуляцией ее в торфяных прослоях;

-- смягчить экстремальность болотного микроклимата и использовать земли в любом севообороте, что обеспечивает повышение продуктивности до 20%;

— повысить несущую способность почвы, значительно улучшить условия для использования сельскохозяйственной техники при полевых работах.

Наличие на относительно небольшой глубине слабопроницаемой прослойки обуславливает сложность осушения таких площадей. Создаваемого естественным путем напора грунтового потока

недостаточно, чтобы своевременно снизился уровень грунтовых вод, и очень часто даже чрезвычайно густая дренажная сеть не в состоянии обеспечить требуемую интенсивность отвода излишних вод. В таких случаях практически единственным приемом, обеспечивающим возможность создания нормального водного режима, является разрушение плохофильтрующей прослойки путем специальной глубокой запашки с созданием наклонно-слоистой структуры.

Практическое применение способа трансформации почвенного профиля в наклонно-слоистую структуру неизбежно связано с необходимостью проектирования мелиоративной сети и прежде всего с фильтрационными расчетами дренажа. Однако такая задача ранее не ставилась и метода, пригодного для расчетов расстояний между регулирующей сетью, не было.

Расчетная фильтрационная схема рассматриваемой задачи представлена на рис.2.

Верхний осушаемый пласт, развитый на хорошофильтрующих песчаных отложениях, состоит из ряда слабо- и плохофильтрую-щих прослоев, различной толщины (рис.2,а). В этом случае, исходя из предпосылок Эрнста, движение воды к каналу (дрене) разбивается на три простые составляющие: с вертикальным, горизонтальным и радиальным течением. Коэффициент фильтрации верхнего слоя определяется зависимостью: /-)

С* 4 ' ¿ = / К с. где т. ~ мощности слоев, к • -- коэффициенты их фильтра-

С

цин.

При глубинной запашке торфяника горизонтальные стой почвы поворачиваются на 130г140 и устанавливаются под углом к вертикали£ = 45: а на поверхности создается минеральный слой толщиной 0,2^0,3 м с небольшим (6^ 13% по весу) содержанием органики (рис. 2,6). Мощности наклоненных слоев зависят от глубины и ширины (в^) вспашки и составляют: щ =вг / (вл -п^ ), _

С П-1; А, (тп - *>.}/(4 -

Коэффициент фильтрации фрагмента наклонного слоя шириной в определяется по зависимости к'е= ^ к^ т^ /в2

где 4 =1,2.....п. Притом в практических расчетах можно принимать к ^ =к;.

Исходя из условий обеспечения хороших условий фильтрации воды и практического опыта строительства и эксплуатации регулирующей сети ее глубина должна быть больше глубины вспашки Вз и отвечать зависимостям в ^ в, + О или в > в5 + Ь0+ 0,2, где Б наружный диаметр труб,А- глубина воды в канале. Оптимальное соотношение между глубиной и шириной вспашки ^: в?= 1:2/3.

На основе применения метода суммарных фильтрационных сопротивлений и используя известные решения А.И. Мурашко и Л.Ф. Эрнста, получены аналитические зависимости для определения расчетных расстояний между регулирующими элементами осушительной сети при установившемся движении и неглубоком залегании водоупора, представлены на схемах 1 и 2, где Н^-- расчетный напор; а — норма осушения; а,— глубина УГВ к началу расчетного периода; — интенсивность инфильтрационного питания; Ьу/у— общие фильтрационные сопротивления; Ф/— фильтрационные сопротивления дрен по характеру вскрытия пласта; р = в„ + 21^ / ъ^пеС-- смоченный периметр канала;.^— угол наклона откосов канала, Б, — длина керамических трубок; Т,- ширина стыковых зазоров между ними.

Остальные обозначения ясны из схем 1 и 2.

Анализ полученных решений и выполненные по ним расчеты показывают:

— разрушение плохофильтрующих запирающих прослоек в почвенном профиле и создание наклонно-слоистой структуры позволяет значительно (до 30% и более) увеличить расстояния между элементами осушительной сети;

~ при глубокой запашке мелкозалежных торфяников в условиях Припятского полесья, где органогенные почвы преимущественно развиты на мощных хорошофильтрующих песчаных отложениях, достаточное осушение обеспечивается

Расчетные фильтрационные схеш я аналитические зависимости для вичисления расстояний между дренахныии линиями до (а) и после (о) глубокой вспашки

- ч (: I >

Т'0,5кряь+кнтн С 2 ) Н^Ь-Ц-Ма-а,) (3 ) Рр'Нр-^т^ (4)

V °>73т[е9$ + °>318(т9 + нР)(р11 ( 5 ">

в по ( I) нр по ( а )

Г- 0.5к'6тв + Кнтн ив ) 1Н/} по ( 5 ) Ф-1' по (- 6 )'

Схема 2

Расчетные фильтрационные схеиы и аналитические зависимости для определения расстояний между каналами до (а) и погле (0) глубокой вспашки

з ПО ( I ) НР ПО ( 'з ) г ПО ( 2 ) Нр П0( 4 )

V 75Г 79 (9 5

В ПО ( I) Нр по( 3)

Нр по < 7 ) . Т ПО ( 8 ) .¿и ЛО ( 9 )

систематической сетью открытых каналов с расстоянием 300 7 400 м и более. Необходимость в закрытом дренаже отпадает. Все это дает существенное уменьшение капиталовложений.

Максимальная эффективность с точки зрения условий осушения получается при глубокой запашке мелкозалежных торфяников, подстилаемых небольшими прослойками плохофильтрующих сапропелевых и илистых отложений.

В четвертой главе "Осушение западин и понижений торфяных залежей, подстилаемых маломощными плохофильтрующими прослойками, методом локальной инверсии литологии пластов" приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с обоснованием метода и расчетных параметров закрытых собирателей (траншей-поглотителей).

Учитывая особенности литологического строения многих объектов и настоятельную необходимость улучшения их водномелиора-тивной обстановки, предложен новый способ осушения западин, "блюдец", приканальных, придамбовых и придорожных зон методом локальной инверсии литологии пластов. Сущность его заключается в следующем. В пониженных местах, где покровные слабо-фильтрующие отложения (торф, суглинки) небольшой мощности подстилаются хорошо фильтрующими грунтами (песками, легкими супесями), устраиваются сплошные или прерывистые закрытые собиратели (траншеи-поглотители) путем раздельной разработки пластов с последующей засыпкой в обратном порядке и размещением плохофильтрующего грунта намного ниже границы раздела пластов. Данный способ осушения западин и переувлажненных понижений применим как на фоне горизонтального открытого и закрытого дренажа, так и вертикального. Можно получить достаточно хороший эффект и при отсутствии дренажа на автоморфных почвах с западинами и "блюдцами" при глубоком стоянии уровней грунтовых вод. Технология устройства траншей-поглотителей определяется литологическим строением, мощностью пластов и проходимостью землеройной техники.

Осушение западин методом локальной инверсии литологии пластов связано с необходимостью установления расчетных расстояний между поглощающей сетью. Задачу можно сформулировать следующим образом. Требуется определить расстояние между траншеями-поглотителями, исходя из условия, что при заданном литологическом строении, ширине траншеи, фильтрующей засыпки, водопроницаемости грунта к, и засыпки кд (при к; ), а также высоте слоя затопления Ь0 требуется за время I отвести талые воды из западины. Время осушения западины I определяется

допустимым сроком затопления выращиваемых сельскохозяйственных культур ( 1 г 3 суток для зерновых и пропашных, 5 г 10 суток для трав). Расчетная высота слоя затопления может быть определена по запасу воды в снеге к началу таяния в год 10% обеспеченности и водосборной площади понижения. Фильтрационная схема задачи представлена на рис. 3.

/ <. /

Рис. 3. Расчетная фильтрационная схема.

Решение рассматриваемой задачи представляет существенные математические трудности. Нами на основе применения метода последовательных конформных отображений получено приближенное решение для случая установившегося движения в следующем виде:

¿ЬаяйМгХ *

где:

(10)

(11) (12)

И- ™ ■ -г

Расчеты, выполненные по (10) показали, что в наиболее распространенных случаях, встречающихся на практике, расстояния между траншеями-поглотителями при локальной инверсии литологии пластов колеблются в пределах от 5:7 до 40:60 м и более.

Простота выполнения работ (в сухой период) и небольшие объемы обуславливают низкую стоимость данного мероприятия при весьма существенном мелиоративном эффекте.

Экспериментально это подтверждено на специально созданном опытном участке площадью 12 га, расположенном на землях сов-

еч см

Вис.ф Динамика УГВ и глубина луги при осушении методом инверсии лигологических пластов.

_ уровни после устройства траншеи-поглотителя.

........ глубина лужи без устройства траншеи-поглотителя (контроль)

Объект "Друть", Белыничский район, Могмевская область

хоза "Друть" в Могилевской области. Были выбраны два идентичных понижения на одном из которых, летом 1983 г. осуществлены работы по улучшению водного режима почв методом локальной инверсии пластов. Работы по отрывке траншей осуществлялись экскаватором ЭТЦ-202 А в два этапа: сначала снимался верхний торфяной стой с оглеенной прослойкой, грунт укладывался на одну сторону. Обратным проходом траншея дорабатывалась на максимально возможную глубину (примерно на 100-4-150 см) с укладкой песчаного грунта по другую её сторону. Спустя 5-г 7 суток траншея засыпалась бульдозером: сначала торфяной грунт, затем песчаный.

Систематические наблюдения за водным режимом показали следующее: на немелиорированной западине лужи глубиной до 20 см ежегодно стояли по 2 г 3 месяца, а на мелиорированном УГВ ближе 0,3 м к поверхности не поднимались (рис. 4).

Общие выводы и рекомендации.

Обобщение и анализ имеющегося отечественного опыта осушения торфяно-сапропелевых болот, выполненные натурные эксперименты и творческие исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. На впервые осушаемых торфяно-сапропелевых болотах особую сложность при строительстве каналов вызывают участки бывших озер и стариц, заиленные, как правило, сапропелями малой плотности. Поэтому при инженерно-геологических изысканиях необходимо детально исследовать такие участки, а в проектах работ предусматривать специальные мероприятия. Как показал опыт достаточную информативность, относительно небольшие затраты и оперативность при изысканиях таких объектов обеспечивает применение геофизических методов, в частности вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

2. Строительство крупных проводящих каналов на торфяно-сапропелевых массивах следует осуществлять в 2 -3 этапа путем постепенного (через 3 г 4 месяца) углубления и доработки предварительных траншей.

При устройстве открытой осушительной сети необходимо соблюдать технологическую схему постепенной этапной разработки грунта, позволяющую предотвратить опасность оползневых деформаций и в конечном итоге сократить сроки строительства. Ширина дна канала, проходящего над сапропелевыми отложениями, должна быть принята минимальной (менее или равной 0,2 м).

3. При наличии в торфяном месторождении озер, уровень воды в них следует снизить до такого предела, чтобы оставшаяся вода не подпитывала сапропелевые отложения. Если сапропелевые отложения имеют мощность до 1 м, то трасса канала может быть назначена руководствуясь обычными правилами, если сапропели имеют мощность более 1 м, следует рассмотреть варианты устройства магистральных каналов в обход глубоких сапропелей.

4. Практические эксперименты на типичных болотах в поймах рек показали, что строительство регулирующей и проводящей сети на этих участках можно осуществить только после предварительного их осушения временной неглубокой сетью в течение 6 г 12 месяцев и более. При том, при первом проходе (этапе) глубины каналов должны быть меньше глубины покровного торфа на 20 г 30 см для предупреждения возможного прорыва сапропелей в русло.

5. Максимальная эффективность с точки зрения улучшения условий осушения и выращивания сельскохозяйственных культур получается при глубокой запашке мелкозалежных торфяников, подстилаемых небольшими прослойками плохофильтрующих сапропелевых и илистых отложений. Процесс этот одноразовый, не требующий возобновления, затраты быстро окупаются.

6. Применение специальной вспашки мелкозалежных торфяников, помимо таких положительных качеств, как сохранение органики, улучшение температурных условий для растений, возможность выращивания зерновых и пропашных культур позволяет улучшить условия осушения и до 20 т 40% увеличить расстояния между регулирующей сетью. Врезка дна каналов (дрен) в минеральное дно торфяника, позволяет получить существенный эффект за счет возможного увеличения расстояний между элементами осушительной сети.

7. Разработанные методы расчета расстояний между регулирующей сетью являются новыми в том смысле, что позволяют учесть влияние плохофильтрующих (запирающих) прослоек. Анализ показывает, что при наличии запирающих прослоек очень большой эффект дает разрушение их путем рыхления или специальной вспашки.

8. Предложен новый метод, способствующий созданию улучшенных условий осушения западин, заключающийся в локальной инверсии литологии слоев с разрушением плохофильтрующих сапропелевых и илистых прослоек. Для установления густоты сети траншей-поглотителей предложен метод фильтрационных расчетов, который рекомендуется использовать в проектной практике.

9. Апробация технологии устройства сплошных и прерывистых траншей-поглотителей в низких местах рельефа на осушаемых и автоморфных землях с западинным рельефом показала вполне удовлетворительные результаты при весьма низких дополнительных затратах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Рекомендации по определению расчетных значений коэффициента фильтрации торфяных залежей с учетом плановой неоднородности. Минск, Минводхоз СССР, БелНИИМиВХ, 1980 (в соавторстве) .

2. Рекомендации по технологии трансформации мелкозалежных торфяников методом мелиоративной вспашки специальными плугами. Минск, Минводхоз СССР, БелНИИМиВХ, 1983 (в соавторстве).

3. Расчет расстояний между элементами регулирующей сети при наличии слабофильтрующих прослоек в верхних горизонтах и при глубокой запашке маломощных торфяников. "Мелиорация и водное хозяйство". 3. Осушение: Справочник под ред. Б. С. Маслова. -М.: Агропромиздат, 1985" (в соавторстве).

4. Водный режим и его регулирование. Учебное пособие для студентов сельхозвузов по специальности "Агрономия". Горки, 1989 (в соавторстве).

5. Осушение западин и понижений торфяных залежей методом инверсии литологических пластов. Ежемесячный журнал "Мелиорация и водное хозяйство" N 6 Минск 1991 с. 2..8.