Файл: Шкинкис, Ц. Н. Проблемы гидрологии дренажа.pdf

В результате подъема верхних слоев почвы зимой и последую­ щего довольно резкого их опускания, вызванного таянием внутрипочвенного льда весной, повреждается корневая система зимующих растений. Часть корней обрывается, часть оказывается на поверх­ ности почвы при ее опускании. По наблюдениям О. Саука [112], на тяжелых почвах корни люцерны весной иногда обнажаются на 10—15 см. Как и следовало ожидать, на недренированных почвах эти явления выражены значительно сильнее, чем на интенсивно дре­ нированных. Таким образом, промерзание почвы при высокой сте­ пени влажности и высоком стоянии уровней грунтовых вод приносит значительный ущерб. Но промерзание, а особенно глубокое про­ мерзание относительно сухой почвы является и положительным фактором, так как способствует ее разрыхлению и образованию структурных агрегатов.

Дренированные почвы вследствие их меньшей влажности про­ мерзают значительно глубже, чем недренированные. Так, в 195960 г. на Римейкском опытном участке при глубоком (1,5 м) систе­ матическом дренаже средняя мощность мерзлого слоя достигла 75 см, а на недренированном поле — лишь 48 см. Глубже всего про­ мерзает засыпка дренажной траншеи, а также почва вблизи дрен, где имеет место наиболее глубокое и устойчивое понижение уровня грунтовых вод и наиболее устойчивая влажность почвы. Эта зако­ номерность объясняется тем, что вода имеет примерно в 5 раз большую теплоемкость [77] и значительно меньшую теплопроводимость по сравнению с частицами грунта, а главным образом тем, что с образованием внутрипочвенного льда освобождается большое количество (80 кал/г) скрытой теплоты [98].

4. Формирование дренажного стока при наличии мерзлоты

Известно, что при промерзании почвы ее водопроницае­ мость резко уменьшается. В связи с этим необходимо выяснить, мо­ жет ли дренаж, находящийся под мерзлым слоем, оказать актив­ ное гидрологическое действие, т. е. справляется ли дренаж со своей водоотводящей задачей в критический весенний период; весеннее снеготаяние обычно происходит до оттаивания почвы.

Многолетняя практика по дренированию почв в различных стра­ нах, в том числе такой северной стране, как Финляндия, показы­ вает, что частый дренаж, находящийся под мерзлым слоем, доста­ точно хорошо сбрасывает воду не только в теплый, но и в холод­ ный зимне-весенний период.

Вопросы водопроницаемости мерзлых почв изучались в течение многих лет [96, 112, 166, 248]. Установлено, что почва хорошо впи­ тывает воду, если она до снеготаяния имела низкую влажность. Од­ нако переувлажненная до замерзания почва, поры которой запол­ нены льдом, воду почти не пропускает. В этой связи интересны данные В. Ф. Маслова, полученные на мерзлых тяжелых суглини­ стых почвах Сибири. Оказалось, что при влажности 31% НВ эта

201

почва имеет водопроницаемость 0,17 мм/мин, при 63, 79 и 95% соот­ ветственно 0,07; 0,01 и 0,00 мм/мин. По его исследованиям, почва, ушедшая под зиму с влажностью 0,6 НВ (при замерзании влаж­ ность увеличивается до 0,7—0,8 НВ), весною практически непро­ ницаема для талой воды. Здесь и ответ на поставленный вопрос: мерзлый слой интенсивно дренированной почвы водопроницаем, а недренированной или экстенсивно дренированной почвы филь­ трует слабо или практически вообще не фильтрует. Поэтому на по­ следних весной наблюдается длительное застаивание верховодки, чего не случается на хорошо дренированных почвах.1

Степень водопроницаемости мерзлых почв можно характеризо­ вать величиной внутрипочвенного (дренажного) стока. В этом от­ ношении в первую очередь надо упомянуть исследования, прове­ денные Л. Кесо [248] в Финляндии. Он установил, что на мерзлых тяжелых почвах фактический дренажный сток может превышать 1,5 л/(с-га), т. е. быть в несколько раз больше расчетного.

На мерзлых глинистых почвах Земгальской низменности Лат­ вийской ССР максимальный дренажный сток достигает 2,0 л /(с-га). По данным О. Саука [112], на Гараушском опытном участке на мерзлых суглинистых почвах величина дренажного стока значи­ тельно превышала 2 л/(с • га).

А. А. Ксензов и М. А. Синдеева отмечают, что в 1968 г. на тя­ желосуглинистых почвах Олонецкой равнины в Карелии при нали­ чии мерзлоты глубиной до 65 см дренажем было отведено 123 мм воды, что составляет около 63% годового дренажного стока.

Как видно из приведенных в табл. 25, 26 и 27 данных, наиболь­ ший дренажный сток на суглинистых и супесчаных почвах Латвий­ ской ССР наблюдается в период весеннего снеготаяния при нали­ чии мерзлоты. При этом в условиях довольно глубокого промерза­ ния (50—70 см) на этих почвах максимальный дренажный сток в 7—8 раз превышал величину расчетного дренажного стока, дости­ гая 5 л/(с-га) (1960 г.). Следовательно, мерзлый слой дренирован­ ных супесчаных и суглинистых почв имеет достаточную водопрони­ цаемость для обеспечения очень интенсивного гидрологического действия дренажа. Однако по мере увеличения мощности мерзлого слоя абсолютная величина наибольших модулей дренажного стока, как и следовало ожидать, значительно уменьшается [166].

Непосредственными измерениями установлено, что при наличии мерзлого слоя в принципе сохраняются те же закономерности из­ менения паводкового дренажного стока в зависимости от степени дренирования (Е и t) и других факторов, что и при оттаявшей

1 Водопроницаемость промерзшей почвы определяется не только наличием свободных от льда пар, но и «запасом холода» в ней, зависящим от ее темпе­ ратуры, объемного веса, начальной влажности и других факторов. При боль­ шом запасе холода почва, хорошо водопроницаемая в начальный момент, может стать совершенно непроницаемой вследствие закупорки пор вновь образующимся льдом. Предвесенние температуры недренированных и дренированных почв раз­ личаются незначительно, однако влажность последних значительно ниже и по­ этому образование в них «запирающего слоя» — маловероятно (см. И. Л. Калюж­ ный и др. — «Метеорология и гидрология», 1972, № 1) {Прим. ред.).

202

почве. Как в одном, так и в другом случае с уменьшением Е вели­ чина наибольших модулей паводочного стока возрастает, а при увеличении t, наоборот, — уменьшается [166].

Следует подчеркнуть, что при отводе весенних талых вод при наличии мерзлоты дренаж играет важную роль не только на легких суглинистых, но и на тяжелых глинистых почвах. Так, в 1965 г. на Дегумниекском опытном участке при глубине промерзания слабо­ проницаемой дерново-глеевой почвы более 0,5 м максимальный сток

47—63% суммарного дренажного стока. При этом основная масса воды весной отводилась до оттаивания почвы. По данным Бальчюнас и Лукянас [17], в условиях Литовской ССР 50—70% стока из дрен происходит до полного оттаивания почвы.

Из сказанного следует, что в климатических условиях Латвий­ ской ССР и Финляндии дренаж, заложенный на достаточной глу­ бине при достаточной густоте дренажной сети, хорошо справляется со своей водоотводящей задачей и на легких, и на тяжелых почвах в любой период года, в том числе в зимне-весенний при наличии мерзлоты, мощность которой не превышает глубины закладки дрен.

5. Термический режим почвы

Изменение водного режима почвы под влиянием дре­ нажа оказывает определенное влияние на температуру почвы. Тер­ мический режим почвы зависит от соотношения твердой фазы в ней, воды и почвенного воздуха, теплоемкость и теплопроводность которых сильно различаются. Но решающую роль играет содержа­ ние воды благодаря ее высокой теплоемкости.

Первые результаты исследований термического режима почв, которые получил Вольни, свидетельствуют о большой терморегу­ лирующей роли дренажа. На дренированной почве он получил тем­ пературу почвы на 7° С выше, чем на недренированной. А. Н. Кос­ тяков [77] указывает на несколько меньшую разницу температур в пользу дренированных почв, т. е. порядка 2—6° С.

По нашим исследованиям, на легких суглинистых и супесчаных почвах в отдельные годы температура верхних горизонтов пахот­ ного слоя (—5 см) дренированной почвы весной на 1,0—1,6° С выше недренированной. В нижних горизонтах этого слоя разница бывает больше, достигая 2,2° С. На тяжелых суглинистых и глинистых поч­ вах положительное влияние дренажа на процесс прогревания про­ является сильнее. Так, наблюдалось, что на этих почвах весной тем­ пература недренированного участка на глубине 5 см на 1,4—2,3° С, а на глубине 20 см — на 3,3—4,2° С ниже, чем на дренированных участках [145]. При этом разница в температуре между верхним (5 см) и нижним (20 см) горизонтами на недренированной участке была 2,1° С, а на дренированных — 0,5—1,0° С, что свидетельствует о более равномерном прогревании дренированных почв по глубине. Характерно, что к концу мая разница в температурах недренирован­

203