Расчет аккумулирующей способности аэрационного дренажа в условиях Туркменистана

Одним из отрицательных факторов, который ухудшает водно-физические состояния почв, является уплотнение почв – движителями сельскохозяйственных машин и орудий. Для улучшения таких почв применяют рыхлители, щелеватели и кротователи.
Применение таких агромелиоративных орудий направленные на ускорение фильтрации поверхностных вод способствует аккумуляции влаги в почвенном профиле и ускоряет сбор избыточных вод. Из них наиболее широко применяемым методом регулирования водно-физических состояний почв является кротовой дренаж. Благодаря этому улучшается структура почвы, отводится излишек влаги из сельскохозяйственных угодий, происходит аэрация почв, в результате повышается урожайность культур [4].
            Отмечено, что закладка кротового дренажа существенно влияет положение кривых депрессии [6], т.е. в процессе функционирования кротового дренажа повышает регулирующую способность системы. Увеличение слоя дренажного стока при проведении кротования тяжелых почв получено в опытах ЛатНИИГиМ, СевНИИГиМ, ЛитНИИГиМ, УкрНИИГиМ и других институтов [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Аккумулирующей способность аэрационного дренажа (АД) рассматривается исходя из анализа составляющих водного баланса и установившейся фильтрации воды в двухслойной среде. Увеличение аэрации почвогрунтов посредством проведения рыхления-кротования с применением новой конструкции кротового дренажа рассмотрим исходя из уравнения водного баланса. Применительно к тяжелым почвам исходим из следующих предпосилок: минеральные почвы имеют атмосферный тип водного питания; уровень ГВ залегает достаточно глубоко, и влагообмен происходит в 2-3 метровом слое. Общий водный баланс состоит из баланса поверхностных, почвенных и ГВ. На дренажном массиве уравнение водного баланса для поверхностных и почвенных вод имеет вид [1]:

 +  = O_p+ O_c–ΣU + (1 – α) Ф_к  - с   q                          (1)

 Для ГВ:                                     =  q + П – О - αФ_к  - D  p                                         (2)

Тогда общий баланс орошаемого поля:

                     = О_р + Ф_к + O_c- ΣU+ (П – О) -С – D  p                                        (3)

где:  - изменение объема поверхностных вод;   - изменение объема почвенных вод;   - изменение объема ГВ;  - изменение общих запасов воды; О_р– водоподача с учетом к.п.д. системы; O_c– атмосферные осадки; ΣU – суммарное испарение; Ф_к – потери на фильтрацию из оросительной сети; α– доля фильтрационных потерь - Ф_к , пополняющая ГВ; С – поверхностные сбросы с полей; q – водообмен между поверхностными и ГВ; П – подземный приток ГВ; О - подземный отток ГВ; D – дренажный сток; р – вертикальный водообмен между грунтовыми и подземными водами.

Знание всех составляющих водного баланса позволит поддерживать оптимальный водный режим почвы, обеспечивающий нормальные условия развития хлопчатника. В нашем случае интересует составляющая продуктивного запаса воды в почве . Исходя из принятых предпосылок (т.е. Ф_к = 0; П = 0; 0 = 0; Р = 0) общий баланс орошаемого поля можно записать в виде:

О_р - O_c– С – D - ΣU -   = 0                              (4)

Неизвестным величинами являются поверхностный сброс с полей (С), дренажной поток -  D и продуктивный запас воды в почве . Если поверхностный сброс с полей  (С) можно определить  на основе наблюдений, то составляющая дренажного стока и продуктивный запас воды в почве являются производными физико-механических свойств почвы. Одним из основных условий по дренажному стоку является отвод излишка влаги из поверхностного слоя (h= 0,3м) в течение 3 суток, т.е. имеем временный характер, который определяется проводимостью почвы. Продуктивный запас влаги  определяется породностью и объемной массой почвы.

Известно, что проведение агромелиоративных приемов значительно повышает данные показатели почвы [7,9]. При этом заметно увеличивается объем дренажного стока, а увеличение уровенного режима под влиянием рыхления-кротования почвы приводит к более благоприятному перераспределению влаги в данной зоне. Задачу о влиянии рыхления-кротования на увеличение аккумулирующей емкости почвы решаем теоретическим путем, рассматривая неустановивщую фильтрацию воды в двухслойном грунте. В качестве верхнего слоя рассматриваем разрыхленный грунт вплоть до глубины залегания грунтовых дрен, в второй – грунт ниже кротовых дрен [1,2,3].

Исходя из вышеизложенного и пренебрегая фильтрацией воды к дренам ниже глубины заложения кротовых дрен, расстояние между дренами в двухслойном грунте определяем по формуле Брусиловского - Стронгина:

B = 2                                                                      (5)

                             где:  =              α h_c при h_c m₁

                                                         α h_c + (α + α₁₎       приm_r   h_c   m₁                              (6)

                                                                                          h_c =                                                                        (7)

где: t – расчетное время;  h_L– расчетная глубина уровня посредине между дренами;  m₁ – мощность пахотного слоя;  m_r– глубина рыхления-кротования;  m – глубина закладки дрен;  – суммарная водоотдача; α, α₁– постоянные грунта пахотного и подпахотного слоев;  B –  расстояние между дренами; p – проводимость. После проведения рыхления-кротования ; α₁,α ,  , p , будет соответственно иметь новые значения:   , ,  ¹, p¹. Считая, что:                                                                     m₁  h_L   m¹                                      (8)

Тогда до рыхления-кротования проводимость будет составлять:

р =   [k₁ m₁ + k (2m – m₁ – h_L )]                            (9)

где: k₁– коэффициент фильтрации пахотного слоя;  k -  коэффициент фильтрации подпахотного слоя.

После проведения   рыхления-кротования:

р¹ =   [ m₁ + k¹ (2m¹ – m₁ – h_L) + 2k(m – m¹)]                            (10)

где:  - коэффициент фильтрации пахотного слоя после рыхления-кротования;  k¹ -  коэффициент фильтрации подпахотного слоя после рыхления-кротования.

Из зависимостей (9) и(10) находим коэффициент изменения проводимости вследствие проведения кротования при условии, что  = ₁ (т.е. не изменяется водоотдача):

 =                                               (11)

или

  =                                               (12)

Принимая, что: m₁ = 0,30 м ; m¹ = 0,6  м; m= 2,5 м ; h_L= 0,3 м ;  = 20.

Найдем проводимость  - сразу после кротования, а затем после 1, 2, 3, 4 года.

На рис.1. представлен график изменения коэффициента фильтрации грунта при рыхлении-кротовании. По расчетам на первом году проводимость почвы увеличится в 2 раза. Среднее значение коэффициента фильтрации (м/сут.) по глубине после рыхления-кротования представлено на рис. 1., а изменение проводимости во времени на рис.2.

Рис.1. График изменения коэффициента фильтрации грунта при рыхления-  кротования . 1- на глубине 20 см; 2- на глубине 40 см; 3- на глубине 60 см.

Рис.2. Изменения проводимости грунта по времени

Данные исследований показывают, что изменение проводимости и коэффициента фильтрации по истечению времени практически стабилизируются, даже по истечению 2-3 год, на глубине 50-60 см после проведения рыхления-кротования.

Таким образом, в конструктивном плане рыхление-кротование вполне эффективно как агромелиоративный прием, улучшающий водно-физические свойства почвы на глубине 50-60 см в комбинации с материальным дренажем. Проводимость находится в прямой связи с коэффициентом фильтрации и остаточной разрыхленностью почвы. 

Литература:

1.      Аверянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. – М: Колос. 1978. -240с.

2.      Бальчюнас А.И. Кротование тяжелых минеральных почв. – М.: изд. ЦБНТИ Минводхоза. 1976. - с. 67.

3.      Брусиловский Ш.И. Мелиорация минеральных почв тяжелого механического состава. –Минск: Урожай. 1981. –с.159.

4.      Досжанов О.М., *Досжанов Е.О. Эффективность применения рыхлителя-кротователя для регулирования водного режима почвы. (ЮКГУ имени М.Ауезова, г.Шымкент, *Каз НУ имени аль-Фараби, г.Алматы). 2010.

5.      Зрошення осушення земель. Вед. ред. д.с-х.н., проф. Алпатьева С.М. –Киев.: Урожай. 1971. -320с.

6.      Сергеев А.И. Регулирование водно-воздушного, солевого и теплового режимов почв рисовых систем Кубани с помощью кротового дренажа. //Гидротехника и мелиорация. -: 1982. –№12. с.56-59.

7.      Соколовская Л.Н. Осушение земель комбинированным дренажем.-М.:Колос 1966.с.81.

8.      Турецкий Р.Л. Резание мелиорируемых грунтов и интенсификация рабочих процессов машин для осушения и освоения земель Нечерноземной зоны :автореф. дис. д-ра техн. наук. –Минск.- 1981.-41с.

9.      Черненок В.Я. Агромелиоративные мероприятия при мелиорации тяжелых почв: обзорная информация. –М.:Изд.ЦБНТИ Минводхоза. –Вып.4. 1988.–с.12-43.