Курсовая работа: ВЛИЯНИЕ осушительных систем на природу прилегающих территорий

Реферативный доклад

Выполнил: Полозова А.А., курс: III

Тверской государственный университет

Тверь.

2003г.

Составные элементы и типизация мелиоративных систем в природоохранных целях

Техника и способы проведения осушительных мелиораций.

Осушительная система – это комплекс инженерных сооружений и устройств для регулирования водного режима переувлажненных земель в соответствии с потребностями сельскохозяйственного производства.

Основной задачей осушительных мелиораций является удаление избыточной влаги с болот и заболоченных земель. Если заболачивание земель вызывается поверхностными водами, то осушение этих земель сводится к удалению излишка поверхностных вод путем усиления стока или же к ограждению осушаемой площади от притока вод извне. При питании болот и заболоченных земель грунтовыми водами методы осушительных мероприятий направлены на регулирование оттока грунтовых вод и поддержание оптимальной влажности почв, на ограждение от поступающих извне на осушаемый участок грунтовых вод или снижение их напора. В том случае, когда заболачивание происходит за счет нескольких источников, осушение производится смешанным путем: открытая осушительная сеть может соединяться с закрытым дренажем и т.д. на отдельных территориях необходимо сочетать осушение с увлажнением почв в засушливые периоды года.

Причины заболачивания, источники питания болот и заболоченных земель, а также цель мелиорации определяют способы и методы ее проведения. Под способом осушения понимается характер применения технических средств, с помощью которых решаются задачи мелиорации.

К способам осушения относятся:

горизонтальный дренаж (закрытый, открытый, систематический, выборочный разреженный);

вертикальный дренаж (головной, площадной, выборочный);

комбинированный дренаж;

оградительная система;

агромелиоративные мероприятия и д.р.

Метод осушения – это принцип воздействия на водный режим почвы, определяющий путь отвода избыточных вод.

Выделяются следующие методы:

при атмосферном типе питания обеспечивается ускоренный поверхностный сток,

при грунтовом – понижение уровня грунтовых вод,

при напорном – снижение напора и уровней напорных вод,

при грунтово-напорном – понижение уровней напорных и грунтовых вод,

при намывном – ускорение паводкового стока.

Взаимное расположение элементов осушительной подсистемы на плане и в вертикальной плоскости отражается в схеме осушения. Определяющими ее факторами являются: тип водного питания, причины заболачивания, характер использования земель и д.р.

Наряду со схемой осушения составляется схема комплексного использования и охраны водных и земельных ресурсов. Это проектно-прогнозный документ, от которого зависят характер, очередность и эффективность мелиоративного и водохозяйственного строительства. Выделяются региональные, бассейновые, областные и районные схемы.

Элементы осушительных систем.

Все осушительные системы, при помощи которых осуществляется мелиорация, принято классифицировать:

по степени канализации (сеть каналов развитая и разреженная);

по способу отвода воды (самотечные и с механическим подъемом воды);

по типам осушительных каналов (открытые и закрытые).

Выделяются также системы двустороннего действия (осушительно-оросительные, осушительно-увлажнительные с предупредительным шлюзованием). По принадлежности системы делятся на внутрихозяйственные и межхозяйственные.

В осушительной системе различают следующие основные части:

оградительную, регулирующую и проводящую сети,

водоприемник и сооружения на осушительной сети,

водообеспечивающую и оросительную сети.

Оградительная сеть служит для ограждения мелиорируемого участка от поступления вод извне. Она состоит из защитных валов, нагорных и ловчих каналов. Валы создаются обычно при мелиорации пойм в дельтах рек для защиты от паводка. Нагорные каналы предназначены для перехвата поверхностных вод. В зависимости от характера водосборов и количества поверхностных вод нагорные каналы могут быть прерывистые, подсоединенные к гистральному каналу или водоприемнеку.

Для задержки стока грунтовых вод служат ловчие каналы (дрены). Обычно они глубже нагорных. Ловчие каналы могут быть как открытыми, так и в виде закрытого дренажа. Для перехвата глубинных грунтовых вод по дну ловчего канала строятся трубчатые колодцы. Глубина ловчих каналов очень большая, иногда может превышать 3-4 м.

Назначение регулирующей сети – создавать водный и воздушный режимы почв непосредственно на осушаемой площади путем сбора и отвода избыточных поверхностных и грунтовых вод. В зависимости от почвенных и гидрологических условий регулирующая сеть может быть собирательной или дренажной. Собирательная сеть состоит из собирателей на тяжелых почвах, дренажная – из осушителей на легких почвах, где сток формируется по порам подпахотных слоев почв. Состав элементов регулирующей части осушительной системы зависит от метода осушения. Регулирующая осушительная сеть может быть открытой, временной и закрытой.

Основная задача проводящей сети состоит в своевременном и полном отводе в водоприемник поверхностных или почвенно-грунтовых вод (ПГВ), стекающих непосредственно в проводящие каналы или поступающие через регулирующую сеть. Проводящие осушительные каналы подразделяются на магистральный (главный) и боковые – коллекторы различных порядков, которые подают воду в магистральный канал и через него в водоприемник. Магистральный канал прокладывают по наиболее низким отметкам осушаемой территории, стремясь обеспечить двусторонний прием воды.

Водоприемник предназначен для приема воды, собираемой осушительной сетью. Водоприемниками могут быть естественные или искусственные водотоки и водоемы. Естественные водотоки и водоемы – это озера, морские заливы, реки, ручьи, балки, ложбины; искусственные – пруды, водохранилища, крупные каналы. Однако не все водоемы и водотоки могут быть использованы в качестве водоприемников. Как водоприемники они должны отвечать следующим требованиям: положение горизонта воды не должно создавать подпора ее в магистральном канале и подтопления осушаемой территории; пропускная способность водоприемника должна быть такой, чтобы своевременно удалять все поступающие в него с осушаемой площади воды; водоприемник должен иметь постоянные и устойчивые русло и берега.

К сооружениям на осушительных системах относятся: гидротехнические сооружения, дорожная сеть, природоохранные сооружения, эксплуатационная сеть.

Гидротехнические сооружения служат для управления потоком воды при ее отводе и перераспределении, а также для предотвращения размывов и заиления каналов дрен.

Дорожная сеть (дороги, мосты, переезды) предназначена для обеспечения беспрепятственного въезда и выезда транспортных средств и сельскохозяйственных машин на любое поле осушаемого массива в необходимые сроки.

Природоохранные сооружения и устройства применяют для охраны и улучшения естественных ландшафтов, фауны и рекреационного использования осушаемых земель.

Эксплуатационная сеть служит для контроля и надзора за работой всех звеньев осушительной системы и обеспечения ее безупречной работы. Она включает здания, линии связи, эксплуатационные дороги, гидрометрические посты и т.д.

В системы двустороннего регулирования входит еще аппарат обратного действия, либо задерживающий сток, либо подводящий воду извне (осушитслыю-увлажнительные системы). Для увлажнения осушен­ных почв применяют способ подпочвенного и внутрипочвенного увлажнения и орошение дождеванием.

Способы осушения почв

Осушение открытыми каналами

Осушение  открытыми  каналами применяют для регулирования режима почвенно-грунтовых под, избыточных поверхностных вод и в качестве предварительного осушения перед строительством закрытого дренажа.

Магистральные осушительные открытые каналы прокладываются главным образом в понижениях на местности, куда стекают поверхностные и грунтовые воды. Кроме того, необходимо стремиться, чтобы каналы располагались нормально к линиям токов грунтовых вод, т. е. в направлении горизонталей грунтового потока (при регулировании почвенно-грунтовых вод). Осушительные ка­налы располагают в плане так, чтобы они как можно больше пересекали и перехватывали поток поверхностных и грунтовых вод. Это основное положение при проектировании расположения в плане сети каналов для регулирования грунтовых и поверхностных вод.

Для максимального перехвата поверхностных вод регулирующие каналы должны следовать в направлении горизонталей местности и быть прямолинейными. При сложном рельефе каналы могут быть и не прямолинейными, но тогда углы поворота канала должны иметь большой радиус, а изогнутость канала – одно направление.

Открытые регулирующие каналы необходимо прокладывать с учетом рельефа местности и поверхности болота, который она примет после осадки торфа, причем, по возможности, под прямым углом к проводящим каналам. Длину каналов и расстояния между ними определяют из расчетных данных. Для отвода собранной воды дну канала придают уклон не менее 0,0005. Каналы бывают обычно трапецеидального сечения, но могут иметь и параболическое или сложное. Поступление почвенных вод в канал происходит через его дно и стенки.

Открытые каналы обладают рядом существенных недостатков и самостоятельное использование их для осушения земель в настоящее время не рекомендуется. На массивах, где осушение про­изводится открытыми каналами, теряется полезная площадь угодий (примерно 12-15% осушаемой территории).

Каналы требуют постоянного ухода, так как зарастают водной растительностью, а их берега – сорняками. Они создают неудобства при механизированной обработке земли. Сейчас открытые каналы применяют главным образом для предварительного осушения болот, чтобы отвести воду из верхних слоев залежи и обеспечить осадку торфа и его уплотнение, а также в качестве временной меры для осушения сенокосных угодий и предварительного осушения перед укладкой закрытого материального дренажа.

Развитие технического прогресса способствовало развитию методов и способов осушения, новых технических средств осушения и конструкций осушительных устройств, а также технологии их изготовления, разработке и внедрению новых машин, устройств и приспособлений для механизации строительства осушительных систем в различных природных условиях.

Осушение заболоченных земель и болот осуществляется системой открытых каналов и с помощью закрытых дрен (горизонтальный дренаж), посредством водопонижающих скважин (вертикальный дренаж), а также различных комбинаций средств осушения. Открытые каналы располагают в плане с учетом использования сельскохозяйственных и дождевальных машин.

На глубоких открытых каналах, врезающихся в слой хорошо водопроницаемых песков, залегающих под торфом, желаемого результата при шлюзовании не достигают, поскольку в этом случае водопроницаемые пески служат большой естественной пластовой дреной, но которой вода уходит в водоприемник. В подобных случаях делают неглубокие открытые каналы (глубиной до 1,5-1,6 м) через 500-1000 м и укладывают малоуклонные дрены (0,0005).

Откосы каналов часто разрушаются, особенно в местах высачивания воды на откос. При этом происходит его размыв, оплывание и т. д. Для предотвращения таких явлений, в частности, если канал проходит в мелкозернистых песках, его дно и стенки нужно крепить пористобетонными плитами, задерживающими мелкие частицы грунта и предохраняющими канал от заиления и разрушения. На сильно оплывающих и заливаемых участках открытые каналы заменяют лотками из пористого бетона.

Способ осушения открытыми каналами получил широкое распространение при мелиорации торфяных почв и пойменных минеральных земель, когда осушенные земли используют под естественные луга и сенокосы. Среднее расстояние между открытыми каналами 200-400 м. Способ осушения открытыми каналами широко применяют в Украинском Полесье. На минеральных землях этот способ неэкономичен, так как требует густой сети каналов.

Открытые каналы часто строятся в сочетании с закрытым дренажем (комбинированные системы), особенно с кротовым.

Кротовый дренаж

Кротовый дренаж применяют преимущественно для улучшения водных свойств тяжелых глинистых почв. Он перспективен при использовании в нечерноземных областях и при осушении болот и заболоченных земель. Этот способ дренажа наиболее простой и дешевый. Специальную кротовую машину, или дренажный плуг, оснащенную вертикально закрепленным ножом (или с небольшим наклоном) с расположенным спереди рыхлителем, протаскивают в почве трактор, или канатная тяга, за рыхлителем следует конусообразный уширитель. Кротовый дренаж применяют в сочетании с закрытыми дренами или открытыми каналами – так называемый комбинированный дренаж.

 Кротовые дрены способствуют растрескиванию грунта, что повышает его водопроницаемость, понижает избыточную влажность верхних слоев почвы и не позволяет в дождливые периоды скапливаться воде на более плотном нижнем слое. Таким образом, кротовый дренаж улучшает не только водные свойства почв, но и их структуру. Кротовые дренажные ходы играют роль регулирующих дрен и выпускаются либо в закрытые трубчатые горизонтальные дрены, либо в открытые канавы.

Концы кротовых ходов при выпуске их в открытую канаву делают из гончарных или асбестоцементных труб. В глинистых почвах кротовый дренаж может сохраняться до 10 лет и более, в легких почвах – три-пять лет, в песчаных неустойчивых почвах и в жидких торфяных кротовый дренаж без крепления стенок неприменим.

При соединении кротовых дрен с гончарными трубами следует сначала делать открытую траншею коллектора, затем проводить кротовые дрены, впадающие в эту траншею, после чего укладывать гончарные трубы, соединять их с выходами кротовых дрен и засыпать траншеи.

На торфяных почвах кротовые дрены устанавливают при степени разложения торфа не более 45%. Дрены делают кротодренажными машинами. Диаметры дрен 5-12 см в минеральных грунтах и 10-25 см – в торфах на глубине 70-100 см с уклоном 0,002-0,004, расстояние между дренами 2-15 м, длина кротовых дрен до 170 м.

Слой дренажного стока под влиянием кротования увеличивается в два-три раза.

Для получения нужной формы кротовой дрены кротодренажная машина должна продвигаться с такой скоростью, при которой частицы грунта, образующие свод дрены, успевают оклеиваться, а вытесняемые вода и воздух уходят в полость дрены.

Предельные скорости кротоводренажных машин в границах 0,7-3 км/ч, в торфяных грунтах скорость выше, чем в минеральных. В системах с двусторонним регулированием водно-воздушного режима расстояния между кротовыми дренами 5-10м. Кротовые дрены закладывают на глубину 70, 90, 100 см от поверхности земли.

Диаметр уширителя при создании кротовых дрен на минеральных почвах должен быть 80-100 мм и на болотных 120-200 мм.

В Германии для устройства кротового дренажа используют специальные плуги, состоящие из ножа с рыхлящим лемехом, или рыхлителем, и навесного уширителя, представляющего собой конусообразное тело. Кроме того, при осушении торфяных болот со степенью разложения менее 45-50% и мощностью торфа более 1-1,5 м применяют щелевой дренаж. Это вертикальные щели шириной 16 см, вырезанные в почве для сбора и отвода воды, глубина щелей 80-100 см. Их делают дренажно-дноковой машиной ДДМ-5 на глубину до 1,2-1,4 м, а также машинами ДШ-1,2 и ДШ-1,4. Длина щелей 200-300 м, расстояние между ними 20-45 м с минимальным уклоном 0,001. Щелевые дрены выводят так, как и кротовые.

Кротовый дренаж с креплением стенок можно применять на любых почвах, в том числе и на легких. Стенки кротовых дрен рекомендуют крепить пористобетонной смесью, что повышает производительность дрен.

Закрытый горизонтальный дренаж

Закрытый горизонтальный дренаж имеет преимущества перед открытыми каналами, главное из них – сокращение потерь земель под каналы и удобство при эксплуатации полей.

Дренажная система (сеть) состоит из регулирующих (всасывающих, собирательных) дрен и проводящих дрен, или коллекторов, по которым собранная вода отводится в закрытый или открытый коллектор и далее в водоприемник.

Для обеспечения нормальной работы гончарного дренажа стыки трубок обсыпали фильтрующим материалом. Долгое время для этого использовали торф, а в настоящее время применяют явно не эквивалентные заменители – стеклохолсты, стекловату и другие стекломатериалы. За рубежом при хорошо развитой химической промышленности для защиты дрен от заиления широко используют гравий, щебень, шлак котельный, песчано-гравпйную смесь (ВНР, Финляндия, Франция, Австрия, Греция, Голландия, Великобритания и др.), а также маты из ржаной соломы, стружки, опилок, фрезерный торф, измельченный еловый хворост, камыш и другие материалы. В странах Запада наметилась тенденция отказа от применения стекломатериалов. Стекловата и другие стекломатериалы – загрязнители почвы и воды. Они загрязняют их мельчайшими частицами стекла. Вода становится опасной для питья. Кроме того, работа с таким материалом, когда при его укладке подымается мельчайшая стеклянная пыль, представляет опасность для дыхательных путей, и рабочим приходится работать в противогазах и длинных резиновых перчатках.

Исходя из условий охраны здоровья людей и окружающей среды, такие материалы для дренажа не следует рекомендовать.

В России, Беларусии, в странах Балтии осушительно-увлажнительные системы строились с применением материального, в основном гончарного, дренажа – наиболее  эффективного способа осушения.

В России закрытым дренажем осушено свыше 35% общей площади осушенных земель. Для закрытого дренажа используют главным образом гончарные трубы (99% общей площади), однако применяют и пластмассовые. При этом сохраняется и открытая сеть. Чтобы обеспечить устойчивость откосов осушительных каналов, широко используют крепление их местными строительными материалами и железобетонными плитами. Большое развитие получают осушитсльно-увлажнительные системы. Если позволяют условия, то строят польдерные системы с применением обвалования и механической откачки воды.

Для стыкования дренажных гончарных трубок разработаны различные конструкции муфтовых соединений.

При строительстве дренажных систем особое внимание необходимо уделять планировке местности и регулированию поверхностного стока на тяжелых почвах, засыпать различные ямы, впадины и блюдцеобразные понижения.

Осушаемые поля должны быть хорошо подготовленными для прохождения всех сельскохозяйственных машин с ранней весны до поздней осени. Механизация полевых работ – решающий фактор при определении оптимальной интенсивности осушения болот и заболоченных земель.

В больших глубоких понижениях следует устраивать поглощающие трубчатые и шахтные колодцы. Эффективность закрытого дренажа повышается при глубоком рыхлении на его фоне почв и устройстве кротовых дрен, что особенно нужно при осушении уплотненных почв.

Недостаточная интенсивность осушения в многоводные годы приводит к тому, что осенью невозможно убрать урожай, а весной затягиваются сроки сева.

Кроме гончарных трубок, для дренажа применяют трубы и фильтры из искусственных материалов. Более 25 лет назад стало известно об использовании в водоснабжении пластмассовых напорных труб. Дренажные трубки изготовляют в основном из поливинилхлорида. На трубках делают отверстия с таким расчетом, чтобы суммарная площадь водовыпускных отверстий на 1 м длины была не менее 6 см² при .номинальном диаметре трубки 40 мм, при диаметре 50 мм – не менее 8 см² и более 50 мм – не менее 10 см².

Дренажные трубки из пластмасс применяют почти на всех континентах, но особенно широко в европейских странах и Японии. В Германии дренажные трубки из ПВХ часто покрываются защитными фильтрующими материалами, например, трубы из ПВХ с фильтрами из стиромуля + кокосовое волокно, соломы, штапельного волокна, кокосового волокна, торфа + штапельное волокно.

Применяют дренажные муфты из ПВХ с пенистым фильтром из полиуретана для труб диаметром 50 и 100 мм. Дренажные муфты используют на всех почвах.

Дренажные трубки укладывают с помощью различных дренажных машин-дреноукладчиков. Машины для укладки дренажных труб бестраншейным способом могут работать на влажных и даже мокрых почвах и на вспаханном поле. Скорость прокладки дренажа бестраншейными машинами в два-четыре раза выше скорости работы фрезерно-цепных дренажных машин.

Фрезерно-цепные дренажные машины разрабатывают траншеи, укладывают гончарные или пластмассовые дренажные трубы (с объемным фильтром или без него) и фильтрующий материал, могут также засыпать траншеи.

В суглинистых грунтах с малыми коэффициентами фильтрации (менее 0,1 м/сут) рекомендуют обсыпать дрены фильтрующими материалами Дреноукладчик может укладывать дрены из пластмассовых труб диаметром до 90 мм в минеральных почвах и торфяниках на глубину до 1,8 м.

Пластмассовый дренаж широко используют в Латвии. В Белоруссии, Украине и других республиках также применяют дренаж из пластмассовых труб. Однако практика эксплуатации дренажных сооружений свидетельствует, что наиболее эффективным является гончарный дренаж, а также дренаж из пористобетонных трубок. Кафедрой гидротехнических сельскохозяйственных мелиорации УИИВХ (Г. С. Потоцкий, Л. Ф. Кожушко) разработан и внедрен в производство эффективный бестраншейный способ укладки усовершенствованной гончарной трубки дреноукладчиком с использованием лазерного нивелира.

Весьма эффективен и перспективен дренаж из пористых материалов, в частности из пористых бетонов и его различных разновидностей, – керамзитобетон, асфальтобетон и т. д.

Пористобетонные трубчатые дренажные трубы бывают бескаркасными и каркасными, их изготовляют из различных материалов и конструкций. Фильтры из пористого бетона укладывают в ответственные гидротехнические сооружения. Оборудование горизонтальных дрен и вертикальных трубчатых колодцев фильтрами из пористого бетона дает большую экономию металла и камня, что снижает общую стоимость дренажа при высоком эффекте осушения.

Пористый бетон для изготовления дренажных труб применяют в строительстве и сельском хозяйстве (мелиорация) в США, Великобритании, Германии, Бельгии, и других странах.

Вертикальные системы осушения

Способ осушения с помощью вертикальных трубчатых, или шахтных, колодцев называют вертикальным дренажем, или вертикальной системой осушения, если имеется несколько таких колодцев. Вертикальные шахтные, или трубчатые, колодцы, из которых с помощью насосов откачивают воду, понижая уровень грунтовых вод, называют водопонижающими шахтными, или трубчатыми, колодцами. Если понижение уровня грунтовых вод происходит за счет их перелива из верхних водоносных горизонтов в нижний водоноглощающий с помощью трубчатых, или шахтных, колодцев, то такие колодцы называют поглощающими. Когда напор напорного водоносного горизонта снимается за счет скважин, работающих на самоизлив, такие скважины называют разгрузочными. Все перечисленные способы вертикального дренажа при соответствующих гидрогеологических условиях можно применять при осушении болот, заболоченных земель, торфяников. Благоприятные условия для вертикального дренажа – такие, при которых водоносными горизонтами являются обводненные пески (лучше всего средне- и крупнозернистые) мощностью 5,0-10 м и более. Эффективная мощность 15-25 м.

Для вертикальных систем осушения используют различные конструкции водопонижающих и водопоглощающнх трубчатых и шахтных колодцев.

Трубчатые водопонижающие колодцы или скважины в пределах водоносного горизонта или по длине 1/3 его мощности оборудуют специальными фильтрами, через которые вода поступает в такой колодец и затем из колодца насосом откачивается на поверхность. Происходит понижение уровней грунтовых вод (осушение). К фильтрам, которыми оборудуются водопонижающие или водопоглощающие скважины для осушения обводненных почв, предъявляют очень высокие требования, поскольку от правильного выбора конструкции фильтра зависят работа скважины и желаемый эффект водопонижения (осушения). Особенно важно создать совершенную конструкцию фильтра для осушения водоносного пласта, сложенного мелкозернистыми глинистыми песками с плохой водоотдачей. В таких условиях большие отверстия в фильтрах допускают пескование скважин, а слишком мелкие – создают значительное входное сопротивление, вследствие чего фильтр работает плохо.

По типу материала, из которого изготавливают фильтры, их разделяют на металлические и неметаллические. На металлические фильтры расходуется большое количество металлических труб и дефицитных цветных и черных металлов, поэтому необходимо там, где только возможно, заменять их на равноценные или более эффективные неметаллические.

Вертикальные трубчатые дренажные колодцы могут быть оборудованы пористобетонными фильтрами – бескаркасными и на каркасе из перфорированных труб различных материалов или стержней. Каркас может быть зацементирован в монолите фильтра; блоки фильтров свободно надеваются на тот или иной каркас и, наоборот, каркас можно надевать на блок фильтра.

Трубчатые дренажные колодцы с пористобетонными фильтрами можно применять и в качестве поглощающих колодцев, когда вода из вышележащего водоносного горизонта перепускается в нижележащий (под водоупором) поглощающий горизонт.

Немаловажное значение имеет своевременный отвод поверхностных вод с объектов осушения, особенно из замкнутых понижений и придорожных зон. Для осушения дренажем в пределах замкнутых понижений проектируют сгущенную дренажную сеть, а при наличии глубоких замкнутых понижений (при водосборной площади больше 5 га) для отвода поверхостных вод предусматривают фильтры-поглотители, через которые поверхностные воды поступают в дренажную сеть. В Прибалтике строят фильтры колодезного типа из железобетонных колец с водоприемными отверстиями, крышками и днищами. В Германии для осушения отдельных мульд и понижений применяют поглощающие колодцы.

В качестве поглотителей можно применять шахтные колодцы, собранные из пористобетонных или из железобетонных колец с пористобетонными окнами. Иногда вода из блюдцеобразных понижений (особенно после снеготаяния) перекачивается насосами.

Опытным путем установлено, что применение вертикального дренажа не приводит к неравномерности осушения площадей, воронки депрессии существуют только в непродолжительные периоды откачек. Все процессы по осушению, водопонижению и орошению сельскохозяйственных угодий на базе вертикального дренажа легко автоматизировать. Оптимальная норма осушения на системах вертикального дренажа поддерживается периодическим включением и отключением дренажных скважин.

Подача воды на увлажнение в общем случае может осуществляться но трем схемам:

из каналов, наполняемых из скважин, через подземные или поверхностные трубопроводы к дождевальным машинам («Волжанка», «Фрегат», «Днепр» и др.);

из бассейнов суточного регулирования по той же сети;

непосредственно из скважин в дождевальные машины по подземным трубопроводам.

Скважины вертикального дренажа размещают так, чтобы они обеспечивали равномерное осушение земель, необходимые дебиты и позволяли использовать дождевальную технику. В системах вертикального дренажа важнейшие параметры – глубина скважин и их диаметр с учетом фильтров. Конструкции скважин, фильтров, насосов и другого оборудования выбирают из расчета наибольшей надежности и экономичности. Сочетание вертикальных скважин небольшой глубины (25-50 м) с широкозахватной дождевальной техникой типа «Фрегат», «Днепр», «Волжанка» дает возможность создать экономичные, весьма оперативные мелиоративные системы двустороннего действия.

Польдерные системы

Польдерными системами осушения называются такие системы, в которых осушаемая территория защищена от затопления насыпными валами. Польдериый способ осушения позволяет управлять удалением стока с обвалованной территории и использовать воду в засушливые периоды на увлажнение почвы. На заболоченных почвах, подстилаемых песчаными отложениями с хорошей водопроницаемостью мощностью до 25-30 м, применяется комбинированная схема осушения – сеть открытых каналов, проложенных через 400-600 м, и впадающих в них малоуклонных или бсзуклонных дрен, что позволяет уменьшить глубину каналов.

Кроме естественных условий, пригодных для строительства польдерных систем, такие условия можно создавать при помощи деятельности человека. Особенно расширяется строительство польдсрных систем зимнего незатопляемого типа. Польдерные системы летнего затопляемого типа проектируют в исключительных случаях – для использования земель под посевы многолетних трав, выдерживающих длительное затопление.

Дамбы обвалования располагают либо вокруг всей польдерной площади, либо ограждают территорию лишь со стороны реки. Дамбы строят из минерального грунта. Длина дамб на 1 га польдерной площади составляет 9-18 м с объемом насыпи 200-950 м³/га. На польдерных системах площадью менее 500 га высоту дамбы проектируют из расчета 5% обеспеченности, а при площади более 500 га – не  менее 1 %.

Дамбы обвалования некоторых польдерных систем в поймах таких крупных рек, как Припять, Днепр, Десна и Днестр, могут затем войти в общую систему противопаводковой защиты.

Особенно эффективны польдерные системы в поймах рек, затопляемых на продолжительное время. Длительное затопление и высокое стояние грунтовых вод после затопления в половодье или при дождевых паводках приводит к переувлажнению и заболачиванию пойменных земель, затрудняет механизированную уборку сена, сокращает период вегетации сельскохозяйственных культур, задерживает их посев и уборку и т. д.

Обычная польдерная система – отгороженный глухими дамбами участок поймы, на котором строили осушительную систему с регулирующей и проводящей сетью. Излишки воды с этого участка откачивали насосные установки в реку-водоприемник. Для регулирования водно-воздушного режима в летнее время на каналах строили водорегулирующие сооружения – шлюзы-регуляторы. Однако такая система не обеспечивает необходимого регулирования водного режима и во время весеннего половодья, а также зимой излишки воды сбрасываются, а в летнее время местный сток часто не может компенсировать дефицита влаги, который наблюдается в период вегетации растений.

Чтобы устранить этот недостаток, необходимо не сбрасывать излишки воды в реку-водоприемник, по которой вода уходит совсем, а аккумулировать их часть в специальных водоемах, в результате чего уменьшится холостой сброс. Значит, следует регулировать речной сток путем создания регулирующих водохранилищ. Объем водохранилища определяется водохозяйственными расчетами, приблизительные его размеры можно установить из расчета 1 млн. м3 на 1 тыс. га увлажняемых сельскохозяйственных угодий.

Такая система работает по схеме: регулирующая сеть – проводящая сеть – насосная станция – водохранилище – проводящая сеть – регулирующая сеть, т. е.  это система замкнутого типа. Если и в ней окажутся небольшие излишки воды, то они сбрасываются из водохранилища в реку.

Вне польдеров остается полоса с неблагоприятным гидрологическим режимом. На этих землях можно создавать летние затопляемые польдеры, защищающие территорию от летне-осенних паводков дамбами небольшой высоты (0,9-1,2 м). Вследствие интенсивной откачки воды на спаде половодья после обнажения гребней дамб сокращается продолжительность весеннего затопления. Летние польдеры, расположенные рядом с зимними, целесообразно объединить (совмещенные польдерные системы, СОПС) с общей насосной станцией.

На существующих польдерных системах при поддержании оптимального водного режима и соблюдении высокой агротехники колхозы получают хорошие урожаи зерновых и технических культур.

Прогрессивное направление развития осушительно-увлажнительных систем – создание водооборотных систем, позволяющих аккумулировать дренажный сток в искусственно созданном водохранилище или пруде и использовать его в периоды засухи для полива. Такие системы дают возможность одновременно с использованием сбросных вод утилизировать удобрения, повторно вынесенные из почвы с дренажными водами, и предотвращать загрязнение водных источников химическими веществами (удобрения, пестициды и пр.), содержащимися в дренажных водах. Пример подобной осушительно-увлажнительной системы (см РИСУНОК 2)— польдерная водооборотная система. Массив осушен закрытым малоуклонным и бсзуклонным дренажем.

На ряде польдерных систем Украины построены опытные системы вертикального дренажа.

Наиболее крупные польдерные системы — Латорицкая осуши-тельно-увлажнительмая система в Закарпатской обл. площадью 10 тыс. га, Береговская — 54 тыс. га, Белозовская (Львовская обл.) — 3200 га, Верхне-Прииятская — 1700 га, в пойме Припяти (Заречанскнй р-н, Ровенская обл.) — 3900 га..

В некоторых случаях устраиваются комплексные польдерные системы в целях снижения капитальных затрат на строительство летних и повышения эффективности зимних польдеров.

Для предотвращения разрушения дамб обвалования летнего польдера в период интенсивного подъема воды в пойме, когда впускные сооружения не обеспечивают необходимой скорости подъема уровня воды внутри одамбированной площади, в теле дамб устраиваются специальные прорези (с пологими откосами шириной до 30 м и глубиной 0,30 м, через которые происходит перелив воды). В пиковый период половодья вода проходит по верху дамб обвалования летнего польдера и не создает большого форсированного подъема уровня в пойме.

При спаде уровня воды в пойме ниже гребня дамбы на 0,3-0,4 м закрываются впускные сооружения и открываются выпускные для сброса ее с чеков в придамбовый канал. Сброс можно производить одновременно из всех чеков в определенной последо­вательности с учетом выживаемости трав.

При водооборотных польдерных системах излишки воды откачиваются с польдера в специальную аккумулирующую емкость (пруд или водохранилище), а не непосредственно в реку, что частично предотвращает загрязнение рек-водоприсмннков ядохимикатами. Аккумулированная вода затем подастся на увлажнение осушенных земель польдерной системы или прилегающих территории. За пределы такой водооборотной системы сбрасываются только избыточные объемы воды после заполнения аккумулирующих емкостей.

Польдерные системы обладают существенным преимуществом, так как с помощью насосных станций позволяют регулировать водный режим почвы, уменьшая или увеличивая сброс воды.

Для водообеспечения осушптельно-увлажнительных систем в качестве источника используют водорегулнрующие сооружения на открытой и на закрытой сети, аккумулирующей запасы воды из почвы, искусственные водохранилища и пруды, а также в незначительной степени реки, каналы и озера. При проектировании водоемов следует максимально использовать торфовыработки, отмирающие озера, бросовые земли, малопродуктивные леса и т. д.

Осушительная система как природно-техническая система

Как природно-техническая система (ПТС) осушительные сооружения представляют собой сложную взаимосвязь технических объектов и природной среды. Это управляющая природой, регулирующая, преобразующая система. В состав природно-технической системы входят две подсистемы техническая (осушительные сети, водоприемник, сооружения на осушительной сети) и природная (площадь мелиорации, прилегающие к ней площади и воздушное пространство) и блок управления. Управление системой сводится к регулированию потоков

Все изменения природной среды происходят в пространстве и во времени, и часто бывает весьма трудно оценить последствия того или иного мероприятия. Изменение некоторых факторов во времени протекают очень медленно (например, осадка и сработка торфяной залежи, смена биоценозов, исчезновение ягодных делянок в прилегающих лесных массивах в течение десятков лет). Изменения в пространстве не равномерны. В связи с этим можно выделить пять зон влияния мелиоративных систем на природную среду, а именно:

зона мелиоративного объекта, то есть площадь самого объекта;

внутренняя зона, охватывающая немелиорируемые площади в контурах объекта мелиорации;

непосредственно прилегающая зона влияния;

отдаленная зона влияния;

зона воздушного пространства в контурах отдаленной четвертой зоны.

Эти зоны выделяют по признаку природоохранных мероприятий, причем в каждой зоне последние могут быть различными.

Границы зон можно установить только приближенно, поскольку время проявления заметных изменений в природной среде может быть весьма растянуто. Однако в некоторых случаях границы очевидны. Изменения при этом, как правило, связаны с параметрами мелиоративной системы, регулируя которые, можно ослабить или не допустить некоторого ущерба от проведения инженерных мероприятий. Границы третьей и четвертой зон установить довольно трудно, однако критерием выделения зон, очевидно, следует считать изменение водного режима территории (поверхностного стока и уровня грунтовых вод), а иногда и изменение микроклимата.

В водосборах рек, где возможно создание двух и более мелиоративных систем, зоны, непосредственно прилегающие к мелиоративной системе и отдаленные от нее, могут налагаться друг на друга, в результате совместное действие мелиоративных объектов в этих зонах усилится. В таких случаях две и более системы в природоохранном аспекте следует рассматривать как единую систему, определенным образом воздействующую на прилегающие территории.

Внутри контура мелиоративного объекта могут отсутствовать площади, не подлежащие мелиоративному воздействию, тогда можно выделить только четыре или даже три зоны, поскольку может не выделяться зона отдаленного влияния (для мелиоративных систем, расположенных в понижениях с крутыми бортами прилегающих территорий, в междуречьях и др.). В последнем случае зона воздушного пространства будет находиться в контурах непосредственно прилегающей зоны.

На практике зоны влияния мелиоративных систем на природную среду выделяют по основным признакам, а их границы уточняют по дополнительным признакам.

К основным признакам относят:

прогнозный уровень грунтовых вод,

рельеф объекта прилегающей территории;

к дополнительным:

локальные понижения рельефа прилегающей территории и локальные возвышенности на объекте мелиорации,

механический состав и высоту капиллярного поднятия грунтов,

наличие почвенного покрова и тип почв,

доминирующую растительность на прилегающих землях (лесная, луговая, поля севооборотов),

общее направление потока грунтовых вод (в сторону объекта мелиора­ции или от него),

химический состав грунтовых вод.

Внутренняя (первая) зона включает все мелиорированные земли объекта, кроме земель, отнесенных ко второй зоне.

Во вторую зону входят земли, имеющие средние отметки на 1 м и более выше средних отметок мелиорируемой территории и внешнюю форму в виде холмов и гряд.

В третью зону входят земли, на которых после создания мелиоративной системы возможны существенные изменения водного режима корнеобитаемого слоя из-за снижения уровня грунтовых вод.

Внешней границей четвертой зоны условно принята линия, где капиллярная кайма высотой αh_к (при α=0,1 для всех грунтов) пересекает существовавшую среднегодовую депрессионную поверхность.

Зоны влияния мелиоративного объекта на прилегающую территорию определяют после отыскания точек пересечения линий: верхней границы высоты капиллярного поднятия и существующей кривой депрессии грунтовых вод до осушения. При этом имеет место следующая закономерность: чем больше протяженность третьей зоны, тем больше протяженность и четвертой. Это связано с тем, что с удалением от объекта мелиорации кривая депрессии выполаживается и ее уклон становится все меньше. Протяженность четвертой зоны вычисляют по формуле.

Обоснованием для установления внешней границы зон служат материалы многочисленных публикаций по результатам работ, проведенных с целью определения влияния мелиорации земель на прилегающие земли. Из этих материалов следует, что за пределами внешней границы четвертой зоны не наблюдается заметного влияния мелиоративного объекта на все факторы внешней среды.

Граница пятой зоны условно совпадает с внешней границей четвертой, так как за пределами этой границы запыление воздушной среды (от ветровой эрозии), связанное с влиянием одной мелиоративной системы, незначительно, хотя в отдельных случаях и может иметь место (при весьма больших скоростях ветра над осушенными торфяниками).

Количество зон влияния уменьшается при условиях, отличающихся от стандартных. Если отметки поверхности на внутренней границе третьей зоны превышают среднюю отметку осушаемой территории на 2-2,5 м (крутой подъем), то третья зона не выделяется и в этом случае можно только выделить четвертую зону при условии, если грунтовые воды движутся в сторону осушенного объекта с образованием кривой депрессии, повышающейся в сторону прилегающей территории.

Может не выделиться и четвертая зона при незначительных ее размерах в связи с малой высотой капиллярной каймы и крутопадаю­щей кривой депрессии уровня грунтовых вод. В этом случае внешняя граница третьей зоны служит внешней границей пятой зоны.

Может не выделиться и вторая зона вследствие отсутствия всхолмлений в пределах первой зоны.

Для проектируемых систем границы зон влияния определяют на основании материалов изысканий и расчетов. При этом устанавливают:

связь между грунтовыми водами осушенного массива с прилегающими землями;

направление потока грунтовых вод – в сторону болота или от него;

слоистость геологического профиля, наиболее водопроницаемый слой и глубину до водоупора;

величину расхода в сторону мелиоративного объекта (для определения необходимости устройства нагорно-ловчих каналов);

характер потока в плане: сужающийся к объекту мелиорации, расходящийся от объекта мелиорации – трехмерный поток; фронтальный – двухмерный поток;

характер растительности;

химический состав грунтовых вод.

Природоохранные мероприятия на мелиорируемой территории носят почвозащитный и противоэрозионный характер (закрепление откосов каналов и дамб от размывов, мероприятия по консервации дренажных вод с целью их повторного использования и др.). Немелиорируемые земли, расположенные в контурах объекта (вторая зона, т. е. песчаные и моренные гряды, всхолмленные приречные участки), считаются объектами особого рода мелиорации, в результате которых можно создать зоны рекреации, лесопосадки, резерваты для дикой фауны. Непосредственно прилегающие к мелиоративным объектам территории могут быть землями сельскохозяйственного назначения, лесными массивами и, наконец, зеркалом естественного или искусственного водоема. В этой зоне больше всего проявляется влияние мелиоративного объекта, часто отрицательного свойства, вследствие снижения уровня грунтовых вод, некоторого изменения влажности и температуры воздуха и почвы. В отдаленной зоне влияния, где действие параметров элементов мелиоративной системы (длины и глубины каналов, расстояний между дренами, высоты дамб обвалований) не проявляется, а изменение физических параметров, скорее всего, связано с самим фактором создания мелиоративной системы, природоохранные мероприятия могут быть минимальными или ограничиваться прогнозами изменения физических параметров, которые будут учитываться, если это необходимо, в других аспектах хозяйственной деятельности. Наконец, в зоне воздушного пространства проводят мероприятия по охране воздуха от загрязнений. Загрязнение воздуха пылью над мелиорируемой территорией и в прилегающих зонах не должно допускаться.

Взаимодействие ПТС с природной средой (обмен веществом и энергией)

Воздействие человека на геосистемы вызывает существенные изменения их состояния. Начальное действие на тот или иной компонент природы по цепочке вертикальных связей передается на другие компоненты, а по каналам горизонтальных связей – на другие геосистемы. В результате прямо или косвенно изменяются многие природные процессы. Под влиянием осушения особенно глубокие изменения наблюдаются:

во влагообороте;

в биологическом и геохимическом круговоротах;

в тепловом балансе.

Изменение влагооборота обусловлено, прежде всего, преобразованием одного из его звеньев – поверхностного стока. Осушение – это воздействие на физико-географические факторы стока, а через них на элементы водного баланса водосбора. Такое преобразование глубоко затрагивает функционирование систем.

При осушении с мелиорируемой территории усиливается вынос химических элементов. В таких условиях естественными коллекторами загрязненных поверхностных и грунтовых вод являются реки, озера, моря и д.т., являющиеся одновременно водоприемниками в осушительных системах. В реках, благодаря их проточности и самоочищению загрязнение носит обратимый характер. Однако в озерах и водохранилищах в связи с замедленным водообменом условия самоочищения значительно ухудшаются. В результате резко изменяются гидротехнический и гидробиологический режимы, что ведет к технической евтрофикации водоемов, обусловленной увеличением в воде концентрации азота и особенно фосфора.

Изменение теплового баланса имеет непреднамеренный характер. Оно связано с изменением подстилающей поверхности за счет осушения. При осушении уменьшается расход тепла на испарение (на 10-15%) и заметно увеличиваются затраты энергии на турбулентный обмен с атмосферой (на 10-25%). В результате происходит больший, чем ранее, нагрев приземного слоя и почв днем и охлаждение их в ночное время.

Снижение уровня грунтовых вод определяет две цепочки причинно-следственных связей:

одна проявляется в изменении ландшафтно-геохимических условий, почвенного и растительного покрова;

другая – связана со снижением затрат тепла на физическое испарение, изменениями в структуре радиационного и теплового балансов, что, наряду с альбедо деятельной поверхности, формирует новый микроклимат. Обобщение данных по изменению радиационного и теплового балансов осушенных территорий произведено В. Н. Адаменко (1979).

Изменение природной среды на осушенных землях

Строительство мелиоративной (осушительной или осушительно-увлажнительной) системы изменяет направленность и интенсивность природных процессов в почве и приземном слое атмосферы, распределение водных ресурсов, в результате чего вся экосистема региона приобретает новые свойства.

Мелиоративная система влияет на окружающую среду прямо и косвенно. Прямое воздействие – это удаление избыточной воды и создание условий для ведения интенсивного сельскохозяйственного земледелия на мелиорированных землях. Косвенное воздействие – это, как правило не предусмотренное проектом влияние на некоторые факторы природной среды на самом объекте, а также на прилегающих землях. Положительное косвенное воздействие связано со сменой растительного сообщества на немелиорированных. Отрицательное косвенное воздействие охватывает обычно большое количество факторов, проявляется в течение длительного времени и оказывается не редко неожиданным.

Из всего комплекса претерпевающих изменения факторов, прежде всего, выделяют следующие:

расход и уровни воды в водотоках;

объем запасов поверхностной и подземной воды в регионе;

уровни грунтовых вод на объекте и прилегающих землях;

объем и характер испарения с водной поверхности и почвы;

температурный режим почвы;

ход и возможное изменение направленности почвообразовательного процесса;

смена флоры и фауны региона.

Осушение болот и заболоченных территорий неминуемо связано с понижением уровней грунтовых вод на объекте и перераспределением объемов воды. В связи с этим первопричинами изменений в окружающей среде являются изменение уровенного режима грунтовых вод и режима поверхностного стока, а также смена растительности в результате культуртехнических работ и планировок.

Под влиянием осушения, прежде всего, повышается степень дренированности водосборного бассейна. В естественных условиях дренированность заболоченных водосборов при площади болот на них 20-30% от площади бассейна обычно составляет менее 1 км/км².

Следствием увеличения дренированности является, с одной стороны, повышение скорости добегания снеговых и дождевых вод до реки, что способствует увеличению расходов воды в реке. С другой стороны, искусственное дренированние территории вызывает понижение уровня грунтовых вод, а также увеличение мощности зоны аэрации (почвенно-грунтового слоя с неполным насыщением влагой).

Понижение уровней грунтовых вод ведет к повышению уклонов грунтовых вод на прилегающей к ним территории и градиентов напорных вод, что обуславливает увеличение подземной составляющей речного стока, особенно в первые годы после осушения.

Под влиянием осушения происходит осадка торфа, при этом изменяется поверхность болота: возрастают ее уклоны в сторону каналов и глубоких дрен, что способствует поверхностному стоку.

После осушения изменяются условия испарения. Понижение уровней грунтовых вод обусловливает уменьшение испарения с поверхности почвы, но этот показатель не является основным. При сельскохозяйственном использовании территории дикорастущая влаголюбивая растительность сменяется культурой, что вызывает изменение транспирации, а следовательно и суммарного испарения.

Осушение почв, особенно торфяных, значительно изменяет их температурный режим. Это обусловлено тем, что с понижением влажности и плотности торфа соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами его изменяется более резко, чем на минеральных почвах.

Влияние осушительных систем на ландшафты прилегающей территории

С позиций физико-географа, осушение есть уничтожение гидроморфных комплексов, лесной и кустарниковой растительности, нивелировка местных локальных природных различий путем проведения культуртехнических работ, известкования, внесения минеральных и органических удобрений. Это приводит к образованию антропогенного ландшафта с присущими ему процессами мелиоративной эрозии, дефляции, минерализации и сработки торфяной залежи, уплотнения почвы и полной перестройки орнитофауны. При этом проявляются новые свойства ландшафта:

увеличение пожарной опасности на торфяниках,

уменьшение продолжительности безморозного периода и снижение температур почвы и воздуха в ночное время,

сокращение и даже исчезновение некоторых видов естественной фауны.

Влияние осушения происходит через подвижные компоненты ландшафта – поверхностные (дренажный сток) и грунтовые воды. Прослеживаются три области влияния: две – прямого (гидрологическая и гидрогеологическая); третья – агротехнической и прочей деятельности человека.

Гидрологическое влияние изучено достаточно подробно, особенно на примере Полесья (Булавко, Маслов, 1975; Шебеко, 1978; и др.), и сводится к следующему. Осушение способствует увеличению годового стока в пределах точности гидрометрических исследований (до 15%), достоверно в первые годы, за счет сработки «вековых» запасов болотных и грунтовых вод. В период интенсивной вегетации растений сток снижается, особенно при оптимальном использовании осушенных земель (Новиков, 1980). Максимальный весенний сток возрастает, но максимальный сток малой обеспеченности снижается. Минимальный сток после осушения возрастает в 1,7-3,8 раза, увеличивается и летний меженный сток. В целом внутригодовое распределение стока становится более равномерным.

Размер зоны гидрогеологического влияния определяется:

глубиной дренажа,

расстоянием между дренами регулирующей и проводящей сетей,

типом регулирования,

литологическим составом пород,

мощностью водоносного горизонта,

уклонами рельефа,

сезонными погодными условиями,

свойствами геокомплексов на прилегающей территории.

Понижение уровня грунтовых вод на прилегающей к мелиоративной системе территории наблюдается в зоне, шириной от нескольких сотен метров до 3-6 км (Маслов, 1975). Зона влияния осушительных систем на снижение уровня почвенных и грунтовых вод сопоставима с площадью осушения и составляет 12-15 млн га. В слабоводопроницаемых грунтах (глинах, средних и тяжелых суглинках) влияние осушения на грунтовые воды практически затухает на расстоянии 50-100 м от дренажа. На осушительных системах, расположенных на юге лесной зоны (Полесье, Мещера), ширина зоны влияния при прочих равных физико-географических условиях больше, чем на северных системах (Карелия, Архангельская обл.). Этот факт объясняется большей продолжительностью теплого периода, а следовательно, и периода дренирования на юге лесной зоны, по сравнению с северной, средней и южной тайгой.

Снижение уровня грунтовых вод определяет две цепочки причинно-следственных связей: одна проявляется в изменении ландшафтно-геохимических условий, почвенного и растительного покрова; другая связана со снижением затрат тепла на физическое испарение, изменениями в структуре радиационного и теплового балансов, что, наряду с альбедо деятельной поверхности, формирует новый микроклимат. Обобщение данных по изменению радиационного и теплового балансов осушенных территорий произведено В. Н. Адаменко (1979).

Микроклиматический эффект осушения наиболее ярко проявляется в изменении температуры поверхности почвы. В летнее время на осушенном болоте в дневные часы температура поверхности почвы обычно на 1-5° выше, чем на болоте. Осушение приводит к росту суточной амплитуды температуры в разные сезоны года от 2,5 до 6,5° в период активной вегетации растений. Возрастают абсолютные значения минимальных тем­ператур на поверхности почвы, обычно на 1-3° в сроки наблюдений 1 и 7 ч и на 0,3-2,0° в 19 ч. Максимальные температуры поверхности почвы обычно на 3-5° выше на осушенных землях, чем на болоте.

Выравнивание рельефа после осушения и проведения куль-туртехнических работ снижает шероховатость поверхности и приводит к увеличению скорости ветра по сравнению с неосушенным болотом в дневные часы на 1-1,2 м/с. В утренние часы различия малы, а на срок 19 ч за счет большей неустойчивости воздуха над более теплым болотом (июль-август скорость ветра на болоте выше на 0,5-0,8 м/с. Удаление кустарников и сглаживание полей приводит к значительному перераспределению снежного покрова и интенсивному метелевому переносу. Основная часть осушенных земель, за исключением пограничных зон с лесами и кустарниками, имеет запас влаги на 10% меньше средних фоновых значений. Осушение приводит к большей глубине промерзания осушенного торфяника, на 20 – 30 см, что характерно для условий Карелии, Полесья, Смоленской обл. и Мещеры. Таким образом, с осушением связано появление новых устойчивых черт в режимах тепла и влаги, в микроклимате прилегающей территории, наиболее ярко – на массивах осушения площадью более 500 га.

Ландшафтно-геохимические аспекты воздействия осушительных систем на прилегающую территорию.

Уничтожение или резкое сокращение природных геохимических и биологических барьеров (низинных болот) способствует выносу химических элементов из осушаемого массива. Существующая в настоящее время довольно обширная геохимическая информация относится к мелиоративным системам, расположенным в среднетаежных ландшафтах Карелии (Кор-зинская низина), в полесских ландшафтах Украины и Белоруссии (бассейн Припяти и Орессы) и Рязанской Мещеры, в ландшафтах смешанных лесов Тверской обл. и др. Детальные исследования проводятся на польдерах Калининградской (пойма Немана), Московской (долина Яхромы), Пермской (пойма Камы) и Смоленской областей, на Кировской лугоболотной станции, во Львовском Полесье, в Эстонии и др.

Обобщение литературного материала и результаты исследований географического факультета МГУ в Мещерской низменности (Авессаломова, 1990) позволяют установить основные черты ландшафтно-геохимических изменений. Результатом интенсификации биологического круговорота элементов является увеличение содержания подвижных форм элементов в почве. В верхних горизонтах мелиорированных почв растет содержание подвижного азота и фосфора по сравнению с торфами низинных болот. Это свидетельствует об улучшении обеспеченности почвогрунтов элементами питания растений. На фоне повышения содержания подвижного азота под культурными лугами резко выделяется увеличение азота нитратов по сравнению с аммонийным. В пахотном горизонте оно может возрастать в 20 раз, тогда как соотношение между этими формами в низинных болотах противоположно. Для более северных районов, например Тверскои обл., отмечено, что при высоком содержании общего азота его переход в аммиачную или нитратную форму происходит медленнее, что не обеспечивает нормальный рост растении в первые годы освоения осушенных земель (Бишоф, Калмыков, 1972).

Другой аспект функционирования ПТС, связанный с интенсификацией бика, — изменение состава вод супераквальных ландшафтов, по сравнению с исходным. Наблюдается увеличение минерализации грунтовых вод лугово-болотных почв, интенсивности водной миграции Са, С1, снижение содержания С_орг и общего азота. Многие биогенные элементы мигрируют в составе органических соединений. Повышение минерализации грунтовых вод установлено для мелиоративных систем Полесья, Нечерноземного Урала, Мещерской низменности и других районов. Однако после заметного увеличения минерализации грунтовых вод в первые годы эксплуатации мелиоративных систем далее достигается равновесие и некоторое снижение минерализации в связи с выносом химичесиих элементов за пределы дренажной сети.

К числу сильных периодически действующих источников относится внесение удобрений. Изучение этого фактора в продуктивности агроценозов показывает, что на создание биомассы расходуется менее половины питательных веществ, в частности за счет потерь элементов питания с потоками грунтовых вод (Чазов, Дроздов, 1974; Авессаломова, 1990). Это позволяет рекомендовать вместо одноразового предпосевного внесения удобрений многоразовое, когда регулирование их поступления дает более эффективный результат.

Данные об изменении щелочно-кислотных показателей противоречивы. Одни авторы отмечают повышение рН мелиорированных почв в связи с выносом оснований в грунтовые воды, отчуждением химических элементов с урожаем, воздействием физиологически кислых фосфорных и калийных удобрений. Другие исследователи (Шаманаев) указывают на снижение рН. Видимо, многое зависит от характера возделываемых культур. Следует также иметь в виду, кислую реакцию атмосферных осадков, что ранее в расчет не принималось при объяснении кислой реакции дерново-подзолистых почв.

Новым признаком осушенных почв и почв прилегающей территории является их окислительно-восстановительная вертикальная зональность. В верхней части профиля до 20-35 см формируются окислительные условия. Далее преобладают восстановительные условия. На контакте обстановок возникает площадной кислородный геохимический барьер. В зоне закрытого дренажа при выходе глеевых вод из труб возникают локальные кислородные барьеры. Из-за осаждения Fe и органического вещества вода в дренах прозрачная.

В зонах кислородного барьера накапливается широкий круг элементов, хотя причины концентрации различны; при подъеме грунтовых вод по капиллярам к поверхности в связи с заменой •восстановительной среды на окислительную происходит накопление Fe, Cо, Mn (Fe и Mn— хорошие сорбенты). Mo, P, V, Сг сорбируются гидроксидами железа; Ва, Zn, Ni, Со, Cu – гидроксидами марганца.

Сопоставление состава новообразований на латеральном «кольцеобразном» барьере в естественных геохимических сопряжениях и на «площадном» кислородном барьере в зоне осушения показывает, что они различаются по комплексу накапливающихся микроэлементов.

В пограничной полосе мелиоративная система – лес, гипсометрически и геоморфологически совпадающей на Вожской системе с границей между древней ложбиной стока и полого-волнистой водно-ледниковой зандровой равниной, где уровень грунтовых вод после осушения болот понизился на 1 м, происходит резкая смена условий миграции элементов и развивается кислородное выщелачивание под торфяным горизонтом почв.

Интегральным показателем последствий геохимической перестройки ландшафтов выступает сток дренажных канав. Воды дренажных канав в лесной зоне чаще всего относятся к гид-рокарбонатно-кальциевым. Большинство исследователей отмечают рост минерализации и выноса кальция, хлора, сульфат-иона и соединений азота, что свидетельствует об усилении их миграции под влиянием осушения. Изменения носят сезонный характер и весной снижают разбавляющий эффект талых снеговых вод. Потеря вещества с дренажным стоком относится к отрицательным последствиям функционирования ГТС. В районах с обилием озер, которые принимают дренажный сток, снижается рыбопродуктивность и возникают благоприятные условия для евтрофирования.

Структура зоны влияния осушительных систем. В зоне гидрогеологического влияния осушительных систем спустя 10-15 лет после их создания четко обозначаются две подзоны:

структурной перестройки компонентов природ­ных 'комплексов и количественных изменений;

вторая подзона иногда мелкоконтурна и фрагментарна. В пре­делах подзон влияния прослеживаются пояса увеличения и сни­жения биологической продукции ландшафта. Дифферен­циация знака влияния осушения на ландшафты прилегающей территории — одна из основных черт зоны влияния.

Можно выделить две группы ПТК, в зонах влияния: лесные и луговые. Границы зон, подзон и поясов влияния на древесный ярус выявляют в процессе полевых исследований и обработки дендрохронологической информации путем группировки точек отбора спилов и кернов деревьев. Группировка производится по степени изменения прироста за сравниваемые периоды до и после образования дренажа для каждого типа леса. Одновременно за тот же период устанавливается тенденция изменения прироста в типах леса — аналогах вне зоны влияния. Это метод пространственных соотношений приростов. Затем на крупномасштабной ландшафтной карте наносится ареал зон, подзон и поясов влияния. Практически первостепенное значение имеют две границы: внешняя, или верхняя, за пределами которой из­менений в продуктивности лесных сообществ не наблюдается, и граница смены знака влияния (положительного на отрицательное или наоборот).

Влияние осушения на луговые комплексы требует длительных стационарных наблюдений за их видовым составом и продукцией фитомассы. Такие исследования осуществлены в Белорусском Полесье и Мещерской низменности (Парфенов и Ким, 1976; Дьяконов и др., 1984; Сперанская, 1990 и т. д.). Влияние осушения на луга дифференцировано в зависимости от гипсометрического уровня. Сравнительный анализ видового состава и продукции лугов разных уровней попарно, когда одна из групп расположена в предполагаемой зоне влияния, а другая вне ее, позволяет сделать некоторые выводы.

Размер зоны влияния носит пульсирующий характер. Она больше в сухие годы и уменьшается во влажные.

Знак влияния на продуктивность дифференцирован по высотным уровням. В целом снижение продуктивности лугов за 10 лет существования системы составило 20%. В наибольшей степени снижение проявилось на лугах низкого и среднего уровней выровненных поверхностей и склонов (глубина вод до осушения – от 0,3 до 1,2 м). Это наиболее чувствительные сообщества. Причина – отрыв капиллярной каймы от корнеоби-таемого слоя.

Выявлена также дифференциация знака влияния по годам пределах одного гипсометрического уровня.

Вопрос о взаимоотношении птиц и осушительной мелиорации имеет важное практическое значение. В мире известно свыше 5 тыс. видов насекомых, приносящих вред сельскому хозяйству. Общие потери урожая от вредителей достигают 20%, а в отдельные годы гибель урожая может достигать 50 процентов и более. Использование птиц как биологического, экологически чистого средства борьбы с вредителями сельского хозяйства имеет большое преимущество, прежде всего из-за дешевизны и относительно высокой эффективности.

По Д. М. Очагову (1990), в результате мелиорации птицы испытывают на себе влияние (в целом негативное) следующих факторов: понижение уровня грунтовых вод; изменение рельефа земной поверхности и растительного покрова; усиление фактора беспокойства в репродуктивный период; проведение механизированных сельскохозяйственных работ и выпаса скота; применение минеральных удобрений, использование пестицидов. Видовое разнообразие гнездящихся птиц можно рассматривать как чуткий индикатор устойчивости ландшафтов. Это возможно при сохранении в пределах массивов осушения небольших по площади (0,3-0,5 га) озер, заболоченных территорий, лесов и создании лесных полос и кустарниковых насаждений. Сохранение разнообразия биотопов позволяет существенным образом предотвратить негативные последствия осушения. В том случае снижается численность отдельных видов, а число видов, как правило, остается прежним. Переход от открытой осушительной сети к закрытому дренажу сопровождается существенным уменьшением количества гнездящихся видов (на 48-65%) и численности птиц (на 9-48%). Водоплавающие исчезают практически полностью (Очагов, 1990).

Для многих районов земного шара осушительная мелиорация поставила проблему сохранения генофонда. Так, в Германии в результате осушения в 70-е годы из авиафауны было вычеркнуто•14 видов, 88% видов птиц, находящихся на грани-исчезновения – представители важных биотопов.

Размеры поясов и подзон влияния определяются совокупностью физико-географических условий, важнейшими из которых выступают три:

глубина дренажа, оградительных (ловчих) каналов;

угол наклона рельефа местности и

механический состав материнских почвообразующих пород.

По сочетанию указанных выше свойств выделяются четыре вида зон влияния с подвидами (см. табл.).

Виды и подвиды зон влияния осушительных систем

I вид формируется в том случае, когда распространение влияния лимитировано двумя или тремя факторами, чаще всего тяжелым механическим составом почвообразующих и подстилающих пород. Зона влияния очень узкая, обычно 30-50 м. Характерна для водораздельных осушительных систем средней и южной подзон тайги; для увалистых суглинистых моренных равнин; водно-ледниковых равнин, перекрытых чехлом покровных суглинков; холмисто-моренных равнин с камами и озами.

Формирование зоны II вида характерно для ландшафтов моренных водно-ледниковых песчаных и супесчаных равнин, долинно-зондровых равнин, ландшафтов пойм крупных и средних рек и древнеаллювиальных равнин. Распространение влияния лимитировано одним из факторов. В зависимости от лими­тирующего фактора выделены следующие подвиды зон влияния: IIа—при уклонах более 0,01 образуется укороченная зона, шириной 50—100 м, с четкой дифференциацией на подзоны и пояса. II6 – лимитирующий фактор влияния – механический состав пород. Формирование новой структуры зоны идет медленнее, чем в подвиде IIа. При неглубоком дренаже (>-1,2 м) образуется сравнительно неширокая (100-200 м) зона с преобладанием пояса положительного влияния, особенно в подзонах средней и южной тайги (Карелия, Вологодская обл.).

Для ландшафтов плоских зандровых водно-ледниковых равнин, зандровых древнеаллювиальных равнин, плоских вторичных супесчаных моренных равнин характерен III вид зоны влияния. В случае, когда прилегающая территория сложена песками или супесями, склоны пологие (1-2°) и глубина дренажа - 1,5 -2,5 м, ширина зоны влияния, может спустя 5- 10 лет после создания осушительной системы достигать 1-1,2 км.

Если в одном речном бассейне сооружено несколько осушительных систем или наблюдается взаимодействие двух или нескольких систем в смежных бассейнах, как это имеет место в бассейне р. Припять, формируется обширная (до 3-6 км) зона влияния, а изменения касаются ПТК ранга ландшафта и даже провинции. Это IV вид зоны влияния, где действие параметров элементов мелиоративной системы (длины и глубины каналов, расстояний между дренами, высоты дамб обвалований) не проявляется, а изменение физических параметров скорее всего связано с самим фактом создания мелиоративной системы, природоохранные мероприятия могут быть минимальными или ограничиваться прогнозами изменения физических параметров, которые будут учитываться, если это необходимо, в других аспектах хозяйственной деятельности. Наконец, в зоне воздушного пространства проводят мероприятия по охране воздуха от загрязнений. Загрязнение воздуха пылью над мелиорируемой территорией и в прилегающих зонах не должно допускаться.

Природоохранные мероприятия по зонам необходимо предусматривать в мелиоративных проектах, однако следует подчеркнуть, что сохраняя какой-либо объект, важно стремиться использовать его в рекреационных целях, в качестве охотничьих угодий, мест любительского рыболовства и поддерживать в процессе эксплуатации. Тогда он будет более эффективен и долговечен.

Прогнозные исследования изменений природных комплексов в зоне воздействия осушительных систем

Комплексные физико-географические исследования последствий осушения начали проводиться лишь в 70-х годах (Дьяконов и др., 1979, 1980, 1984; Киселев, Чубанов, 1979; Емельянов 1981, 1984; Аношко и др., 1984 и др) и еще не получили широкого распространения. В результате недостаточно изучена динамика природных комплексов, слабо разработаны методы прогнозирования их изменений (за исключением гидрогеологического), отсутствуют методические рекомендации по составлению прогнозов. В связи с этим поставлена задача: на основе исследований автора и имеющихся данных построить прогнозно-информационную модель изменений природных комплексов под влиянием осушения и на ее базе разработать методику их прогнозирования.

Процесс осушения природных комплексов и методика его исследований.

Наблюдения показали, что перестройка природных комплексов под влиянием осушения идет по цепочке связей: создание осушительной системы – понижение уровня ПГВ – изменение водно-воздушного режима почвогрунтов и микроклимата – трансформация почв – изменение состава и продуктивности фитоценозов – перестройка пространственно-временной структуры природных комплексов. Такое понимание сущности перестройки позволяет рассматривать её в качестве комплексного физико-географического процесса и использовать для её исследования принципы и методы изложенные выше.

Основная задача исследований заключается в выявлении направления, степени, скорости и масштабов изменений природных комплексов, прилегающих к объектам осушения. Их методика базируется на комплексном физико-географическом подходе.

Изменения природных комплексов в зоне воздействия, осушительных систем.

Факторы, изменяющие природные комплексы.

Определяющее воздействие на изменение природных комплексов оказывают норма осушения и тип дренажа. Норма осушения влияет на величину понижения уровня ПГВ, степень изменения почв и растительности, ширину зоны гидрогеологического воздействия. Установлена тесная связь между нормой осушения и шириной зоны понижения ПГВ (коэффициент корреляции 0,80-0,89), которая особенно четко проявляется в условиях закрытого дренажа.

Климатические и метеорологические условия в значительной мере определяет водно-воздушный режим почвогрунтов, интенсивность почвенных и биологических процессов. Преобладание годовых осадков над испарением способствует переувлажнению земель, однако в летние месяцы водный баланс отличается большой изменчивостью (коэфф. вариации 52-65%), что значительно усложняет временную динамику осушенных природных комплексов.

Рельеф влияет на изменение природных комплексов через морфологические показатели (относительную высоту, уклоны местности, формы микрорельефа и др.) и обуславливает и обуславливает естественную дренированность и исходное увлажнение территории. Установлена зависимость ширины зоны влияния осушения от уклона местности. Она выражается корреляционным отношением равным 0,83.

Механический состав и строение почвогрунтов обуславливают водно-физические свойства почв, их водный режим, гидрогеологические условия территории. Выделено шесть основных типов гидрогеологических условий, в пределах которых ширина зоны влияния осушения на уровень ПГВ колеблется от 0,2-0,4 км на суглинках и торфе до 2-3 км на песчаных почвогрунтах.

В первые годы после осушения наибольшее влияние на природные комплексы оказывают норма осушения, механический состав и строение почвогрунтов, исходное увлажнение территории. В последующие годы увеличивается роль технического состояния дренажа, колебаний гидрометеорологических условий, характера использования прилегающих к системам земель.

Процессы перестройки природных комплексов.

Уже в первый год действия осушительной системы происходит заметное понижение уровня ПГВ. В песчаных грунтах оно почти завершается через   3-4 года, в суглинках – через 5-8 лет после осушения. В течение мая-сентября величина понижения уровня ПГВ значительно меняется. В зоне влияния Крючковской системы в сухое время она достигает 0,8-1,1 м, но во влажные периоды не превышает 0,3-0,4 м. Соответственно с 300-400 м до 100-150 м уменьшается ширина зоны понижения уровня ПГВ (в условиях легких и средних суглинков).

Сезонная динамика уровня ПГВ после осушения существенно не меняется и сохраняет основные черты исходного режима. Однако заметно уменьшается продолжительность стояния высоких уровней зимой и летом и возрастает амплитуда их колебаний за вегетационный период. В условиях Крючковской системы во влажные годы она составляет 0,8-1,2 м против 0,3-0,6 м вне зоны действия дренажа (в сухие годы соответственно – 1,4-1,8 м и 0,7-1,0 м).

Понижение уровня ПГВ ведет к уменьшению влажности почв, которое наиболее интенсивно происходит в первые годы после осушения. У ранее заболоченных легкосуглинистых почв влажность верхнего полуметрового слоя уменьшается в 1,3-1,9 раза в сухие летние погоды. В слое мощностью0-20 см усиливается зависимость влажности от выпадения атмосферных осадков. Одновременно в почвах заметно повышается аэрация (до 22-26%) и активизируется газообмен между верхними горизонтами и приземным слоем воздуха. В результате исходный грунтово-болотный водный режим почв сменяется грунтово-подуболотным, полуболотный – атмосчерно-грунтовым периодически промывным.

Уменьшение влаги в почве привело, с одной стороны, к изменениям теплового баланса и микроклимата, а с другой – перестройке почвообразовательного процесса. По данным В.Н. Адаменко (1979), К.Н. Дьяконова (1982), В.С. Аношко и др. (1984) и других авторов, расход тепла на испарение уменьшается на 8-15%, а турбулентный обмен с атмосферой возрастает на 10-25%. В результате в теплый период температура воздуха в дневное время повышается на 0,5-2,0 ⁰С, а в ночные часы понижается на 2,0-1,8 ⁰С. Увеличение теплопроводности почв обуславливает повышение летних температур на глубине 10-20 см на 0,2-1,7 ⁰С, но одновременно ведет к их более глубокому промерзанию в зимнее время.

Перестройка почвообразовательного процесса выражается в развитии окислительных условий, ослаблении заболачивания, увеличении скорости разложения органического вещества. Уже через2-3- года заметно уменьшается оглеение, создаются условия для периодически промывного режима и выщелачивания химических соединений. Происходит вынос органических веществ и оснований, что ведет к некоторому уменьшению содержания гумуса (в 1,1-1,4 раза), кальция, повышению кислотности на 0,3-0,5 единиц pH. Отчетливо проявляется изменение окислительно-восстановительных условий. В верхних слоях почвы формируется аэробная среда, ниже на границе окислительной и восстановительной зонпроисходит накопление подвижного окисного железа (до 60-100 мг/100 г). в результате этих преобразований через 7-10 лет после осушения дерново-подзолистые глееватые почвы трансформируются во временно переувлажненные и слабоглееватые, дерново-подзолистые и торфяно-подзолистые глеевые – чаще всего в среднеглееватые, торфяно- и перегнойно-торфяно-глеевые – в средне- и сильноглееватые.

Изменение водного режима и свойств почв ведет к трансформации фитоценозов. Заболоченные и переувлажнненые луга, прилегающие к осушителям, через 5-6 лет переходят в осоково-злаково-разнотравные (доля злаков возрастает до 35-75%). Одновременно происходит пространственная дифференциация ассоциаций. Продуктивность лугов меняется не однозначно и зависит от положения их в рельефе, степени увлажнения и других факторов. Чаще всего с осушением связано понижение урожая трав (на 26-33%), особенно в засушливые годы (Дьяконов и др.,1980).

В лесных фитоценозах, прилегающих к осушителям, через 8-12 лет происходит смена типа леса (в полосе шириной до 100 м) или заметное изменение напочвенного покрова. Сосняки и ельники долгомошники переходят в черничники, осоково-сфагновые в зеленомошно-влажнотравные, сфагновые в долглмошники. Одновременно наблюдается изменение прироста деревьев. Оно особенно четко проявилось в сосняках, произраставших ранее в условиях избыточного увлажнения и низкой трофности (прирост повышается на 30-130%), и ельниках в местообитаниях с оптимальным увлажнением (чаще всего понижается на 15-35%). Наиболее резкое повышение и понижение их продуктивности проявляется в первые 6-10 лет после осушения. В последующие годы у большинства обследованных сосен и елей амплитуда колебаний прироста заметно уменьшается, что, по-видимому, связано с адаптацией деревьев к новым условиям произрастания и стабилизирующим действием осушителей.

Как видно из приведенных данных, наиболее значительные изменения природных комплексов в зоне влияния осушительных систем происходят в первые 10-12 лет их функционирования. Затем скорость трансформации замедляется. Однако в ряде случаев в результате ослабления или прекращения действия осушителей наблюдается обратный процесс – вторичное переувлажнение и заболачивание.

Последствия (результат) изменения природных комплексов.

В результате осушения происходит пространственная дифференциация ландшафтов, прилегающих к осушителям. В связи с этим в зоне в влияния осушительных систем выделены две подзоны: значительного и слабого изменения природных комплексов (Емельянов, 1980).

В первой подзоне уровень ПГВ понижается на 0,3-0,8 м, что уменьшает влажность почв в 1,5-2,2 раза. Заметно ослабляется заболачивание, происходит вынос ряда химических веществ и интенсивное накопление окисного железа. Гидрофильные фитоценозы трансформируются в гидромезофильные и мезофильные. Продуктивность лугов падает на 10-30%. Прирост деревьев в ранее недостаточно и умеренновлажных местообитаниях уменьшается на 10-35%, переувлажненных и заболоченных – возрастает на 30-150%.

Во второй подзоне уровень ПГВ понижается на 0,2-0,5 м, влажность почв уменьшается в 1,2-1,7 раза. В связи с этим ослабляется оглеение почв, увеличивается аккумуляция окисного железа. На лугах возрастает доля злаков, в напочвенном покрове уменьшается доля влаголюбивых видов. Прирост деревьев в ранее умеренно влажных местообитаниях возрастает на 20-80%.

Ширина зоны влияния осушения в условиях суглинистых почв – 300-400 м.

Осушение изменило тесноту связей между компонентами природных комплексов. Установлено заметное увеличение изменчивости прироста деревьев в зоне влияния, особенно в тех типах леса, которые четко и однозначно среагировали на осушение (ельниках кисличнках, сосняках долгомошниках и др.). В 78% случаев оно совпадало с направлением изменчивости атмосферных осадков (вне зон влияния в 57%). Одновременно отмечено усиление связи прироста с осадками и коэффициентом увлажнения после осушения. Таким образом, в отличие от подтопленных берегов водохранилищ в зоне влияния осушительных систем возросла роль метеорологических факторов.