Расчет водообмена и обоснования мелиораций

Инженерные инновационные методы расчетов режима орошения и размеров оросительных норм должны учитывать водообмен. Как было показано ранее, водообмен влияет на почвообразовательные процессы, формирует грунтовые воды и определяет нагрузку на местный речной сток. От водообмена зависит размер экологически безопасной оросительной нормы.

Водообмен бывает в виде восходящих вертикальных потоков влаги между корнеобитаемым слоем почвы и подстилающими его слоями (капиллярное подпитывание) или нисходящими (промываемость почвы). Промываемость освобождает почву от избытка солей и избыточной влаги (осушает), но обедняет питательными веществами и илистой фракцией. Капиллярное подпитывание дополнительно увлажняет почву, уменьшает потребность в орошении, но иногда приводит к заболачиванию и при минерализованных грунтовых водах засоляет почву.

Существующие справочные руководства по режиму орошения учитывают возможное капиллярное подпитывание, но совершенно не учитывается промываемость почвы. Хотя в зоне неустойчивого увлажнения даже без орошения наблюдается устойчивый речной сток в межень, следовательно, имеет место промываемость почвы. В среднем для условий Башкортостана промываемость почвы находится в пределах 30-70 мм/год, для степных районов России в пределах 20-60 мм/год. На поливных землях, за счет большего увлажнения почвы, промываемость может увеличиваться в два раза. Поэтому важна объективная оценка промываемости почв при водных мелиорациях.

Учесть в расчетах промываемость можно моделированием процессов водообмена. Модель, описанная в четвертой главе, позволяет моделировать процессы водообмена на водосборах (в нашем случае для условий Западного Башкортостана). Водообмен зависит от водно-физических свойств почвы: пористости, максимальной гигроскопичности, высоты капиллярного подпитывания, ППВ (предельной полевой влагоемкости) и коэффициента фильтрации верхних слоев почвы.

Величина и направление водообмена сильно зависят от глубины грунтовых вод и от предполивной влажности почв. Варьируя на компьютерной модели этими параметрами можно рассчитать величины водообмена и определить их взаимосвязь.

Зависимость водообмена от глубины грунтовых вод и предполивной влажности А. И. Голованов предложил выразить через серию номограмм. Им построены серии номограмм при базовом матричном коэффициенте фильтрации = 0,15 м/сут и при базовой продолжительности вегетационного периода = 130 сут для различных значений дефицита естественного увлажнения теплового периода 700, 550, 400 и 250 мм [99]. С помощью номограмм определяется базовое значение водообмена , выраженное положительным знаком при капиллярном подпитывании и отрицательным – при промываемости почвы.

Переход к значениям водообмена для других коэффициентов фильтрации и продолжительности вегетации осуществляется по аппроксимирующим формулам, проверенным строгим моделированием долговременных периодов орошения при разных условиях:

. /6.10/

Годовой водообмен определяется по формуле:

. /6.11/

С целью определения применимости этих формул для водосборов Западного Башкортостана, выполнено сравнение значений водообмена, полученных по строгому моделированию (модель функционирования катен водосборов) и по вышеописанной методике А. И. Голованова.

Величины водообмена, полученные по номограммам прямо пропорциональны значениям водообмена элювиальных (возвышенных) фаций ландшафтных катен водосборов, полученных по строгому моделированию. Для адаптации этих номограмм к элювиальным фациям рассматриваемых водосборов необходимо определение так называемых матричных коэффициентов фильтрации для почв Западного Башкортостана. Согласно А. И. Голованову, матричные коэффициенты фильтрации должны учитывать впитывание воды в почву при дождевании только по порам микроагрегатов [99]. Способы определения коэффициентов фильтрации наливом на площадке или в кольцо в этом случае дают существенно завышенные результаты.

Ориентировочные матричные коэффициенты фильтрации по типам почв можно определить, выполняя обратный расчет. Обратный расчет предполагает нахождение искомых матричных коэффициентов фильтрации для номограмм по типам почв, обеспечивающих величины водообмена, соответствующих значениям водообмена, полученных по строгому моделированию долговременных периодов орошения с 1978г. по 2009г. при разных условиях (по компьютерной модели). Во всех расчетах значения матричных коэффициентов были меньше, чем значения исходных коэффициентов фильтрации. С учетом этого, матричный коэффициент фильтрации для номограмм рекомендуется определять по формуле:

g w:val="EN-US"/></w:rPr><m:t>k</m:t></m:r></m:e><m:sub><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>РїРѕРЅ</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> , /6.12/

где - исходный коэффициент фильтрации для данного типа почвы, определенный наливом на площадке или в кольцо [220]; - понижающий коэффициент, принимаемый по таблице 6.4.

Таблица 6.4 Понижающие коэффициенты по типам почв

Западного Башкортостана

Типы почв	Понижающий коэффициент,
Серые лесные Дерново-подзолистые Черноземы типичные Черноземы выщелоченные	0,27 0,22 0,19 0,17

Величины водообмена, полученные по номограммам, различаются от средних значений водообмена катен водосборов, полученных по строгому моделированию. На среднюю величину водообмена катен влияют геоморфология рельефа водосборов и распределение поверхностного стока по этой территории. Расчетные параметры, характеризующие геоморфологию и местный сток, рассмотрены в третьей главе. В первую очередь водообмен зависит от коэффициентов крутизны склона и поверхностного стока. Крутизна склона таких водосборов φ определяется, как обратная величина коэффициента морфоизографа (таблица 6), а коэффициент поверхностного стока - по рекомендациям А. Н. Костякова (таблица 3.12). С целью установления зависимости водообмена от этих параметров выполнены серии компьютерных расчетов у групп водосборов, в которых рекомендовано регулярное орошение: лесостепная, лугостепная и степная. В первой серии расчетов варьировался коэффициент крутизны склона φ от 3 до 11, во второй - коэффициент поверхностного стока δ от 0,30 до 0,6 при неизменных остальных исходных параметрах модели функционирования катен водосборов. Результаты выражены в виде серий номограмм коэффициента водообмена в зависимости от крутизны склона φ при различных коэффициентах поверхностного стока δ (рисунок 6.1).

Тогда годовой водообмен катены водосбора при водных мелиорациях определяется по формуле:

, /6.12/

где - годовой водообмен, определяемый по формуле /6.11/; - коэффициент водообмена, определяемый по рисунку 6.1.

Вычисляя годовой водообмен катены водосбора при водных мелиорациях по /6.12/, можно выполнить обоснование требуемого мелиоративного режима, обеспечивающего устойчивое экологическое состояние водосборов. Коэффициент экологической устойчивости водосборов определяется по /4.1/. При этом водоомен в естественных условиях принимается равным местному меженному стоку. Урожайность в естественных условиях принимается по статистическим данным, поверхностный сток – по гидрологическим справочникам. Урожайность после водных мелиораций рассчитывается по модели продуктивности [277].

Рисунок 6.1 Зависимость коэффициента водообмена от крутизны склона φ при различных коэффициентах поверхностного стока δ

Разработанный инженерный метод расчета влагообмена и обоснования мелиораций позволит решить две практические задачи:

- определение коэффициента экологической устойчивости мелиорированной катены водосбора при известной предполивной влажности почвы;

- определение экологически безопасной величины предполивной влажности почвы, при которой обеспечивается экологическая устойчивость мелиорированной катены водосбора.

6.3 Практические рекомендации