Проектирование комплекса противоэрозионных мероприятий с контурно-полосной организацией территории

Проектирование – один из основных путей передачи передовых научных разработок в производство. Специализированные проектные организации, располагающие высококвалифицированными кадрами, способны внедрять достижения сельскохозяйственной науки в короткое время на значительных площадях.

Проектирование комплекса противоэрозионных мероприятий, включающего контурно-полосную организацию территории, имеет ряд особенностей. Поскольку задачей комплекса является устранение поверхностного стока как главной причины водной эрозии, требуется детальный учёт рельефа, климатических особенностей, почвенных и гидрологических условий местности. Определение состава, порядка размещения проектируемых мероприятий и практическое их осуществление выполняются в научно обоснованной последовательности на основании материалов специальных расчётов.

Оптимальным вариантом является проектирование контурно-полосной организации территории и приспособленного к её условиям противоэрозионного комплекса в рамках внутрихозяйственного землеустройства. Таким методом велось внутрихозяйственное землеустройство виноградарских совхозов «Курпский» Кабардино-Балкарской АССР и «Донская чаша» объединения «Донвино». Первый проект составлен институтом «Севкавгипропищепром» (Краснодар), второй – институтом «Гипроспиртвино» (Москва).

В этих совхозах на всех виноградных насаждениях запроектирован рекомендуемый ВНИИВиВ комплекс противоэрозионных мероприятий с соответствующей противоэрозионной организацией территории. Проекты были выполнены в 1970 г. и в настоящее время успешно осваиваются хозяйствами.

Проектированием комплекса противоэрозионных мероприятий с контурно-полосной организацией территории в условиях полевых севооборотов колхозов и совхозов Ростовской области около 4 лет занимается Южный филиал института «Росгипрозём». Для ряда хозяйств Ростовской области в 1970 – 1973 гг. составлял проекты Ростовский филиал института «Союзгипролесхоз».

Опыт, накопленный при разработке проектов, последующем переносе их в натуру и практическом освоении, представляет значительный интерес.

Основным вопросом на стадии проектирования является расчётное обоснование ширины контурных полос. Располагающиеся по их границам водозадерживающие валы с широким основанием, совмещённые с водопоглощающими канавами, заполненными органическими материалами, должны полностью задерживать и переводить в почву избытки поверхностного стока воды, чего нельзя сделать на полях с помощью агротехнических мероприятий. Подобные ситуации очень часто возникают при образовании притёртой ледяной корки и при ливнях большой интенсивности на полях, почва которых значительно уплотнена (озимые культуры и многолетние травы в период оттепелей и снеготаяния, пропашные культуры, стерня зерновых после уборки, междурядья садов и виноградников, содержащиеся под чёрным паром, пары, реже зябь).

Определить ожидаемую величину поверхностного стока, формирующегося в критических ситуациях, очень сложно. Современные гидрологические исследования дают достаточно точное представление только о речном стоке. Сведений о поверхностном стоке с малых водосборов, представленных в большинстве зон сельскохозяйственными угодьями, недостаточно для точного предварительного вычисления стока в любой местности при любом сочетании условий.

Исследования поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий, выполненные в нашей стране в последние годы, свидетельствуют о значительной его изменчивости в связи с почвенно-климатическими условиями различных зон, рельефом местности и характером хозяйственной деятельности человека. Для расчётного обоснования противоэрозионных мероприятий Государственным гидрологическим институтом в 1972 г. предложена методика определения величины поверхностного стока с малых водосборов[2].Она может служить основой гидрологических расчётов для комплекса противоэрозионных мероприятий с контурно-полосной организацией территории, но в первую очередь следует использовать материалы стоковых площадок, расположенных на полях в сходных почвенно-климатических условиях.

В соответствии с требованиями строительных норм и правил, гидротехнические противоэрозионные устройства простейшего типа рассчитывают на полное задержание поверхностного стока 10%-ной обеспеченности (то есть такой его величины, превышение которой может случаться раз в 10 лет). Полное устранение стока такой расчётной величины даёт возможность надёжно защитить почву от смыва. Добавочное увлажнение территории способствует улучшению условий произрастания сельскохозяйственных культур.

Каким образом достигается устранение поверхностного стока, видно на рисунке 14. При расчётной ширине контурной полосы 120 м на водосборную площадь 100-метрового отрезка вала и канавы выпадает 430 м³ осадков в виде ливня. Величина поверхностного стока достигает при этом 310 м³, остальные 120 м³ впитываются почвой, задерживаются на водосборе микрорельефом и растительностью. Основную массу стекающей воды удерживает вал – 260 м³ и 50 м³ успевает впитаться в почву в канаве.

 

Рис. 14. Диаграмма распределения ливневых осадков при полном задержании поверхностного стока 10%-ной обеспеченности. Длина канавы 100 м, расчётный слой стока 25 мм: а – объём воды, задержанной на поверхности почвы; б – объём воды, впитавшейся в почву; в – объём впитавшейся в канаву воды за время добегания поверхностного стока; г – объём прудка воды, образованного валом.

 

Как видно на рисунке 14, точность гидрологического обоснования комплекса почвозащитных мероприятий зависит от достоверности оценки величин, составляющих уравнение водного баланса. Чем лучше изучены фильтрационные свойства почвы в канаве и под сельскохозяйственными культурами, чем точнее оценена ожидаемая масса стока, тем надёжнее расчёты и работа всего комплекса.

Основными водорегулирующими сооружениями в комплексе противоэрозионных мероприятий, разработанном Всероссийским научно-исследовательским институтом виноградарства и виноделия, являются водозадерживающие валы с широким основанием, совмещаемые с водопоглощающими канавами, заполненными органическими материалами. Валы-канавы устраивают по горизонталям местности со спрямлениями в местах пересечения мелких эрозионных форм рельефа.

Проектирование на плане и последующий перенос трасс валов-канав в натуру проводят по вертикальным отметкам тех горизонталей, на которых их устраивают. Для водосборов с почвами, одинаковыми по водно-физическим свойствам, разность отметок (превышение) соседних валов-канав является постоянной. Это упрощает проектирование и разметку трасс на местности.

Превышения соседних валов-канав для условий задержания стока талых вод определяют по следующей формуле:

 

,

 

где  – превышение между соседними канавами (в м);

 – рабочая высота водозадерживающего вала (в м);

 – ширина зоны в канаве, поглощающей воду (в м);

 – скорость водопоглощения (в м за 1 минуту);

 – время водопоглощения (в минутах);

 – площадь поперечного сечения водопоглощающей канавы
(в м²);

 – слой поверхностного стока 10%-ной обеспеченности подлежащий задержанию (в мм);

 – средневзвешенный уклон водосбора.

Для определения превышений между валами-канавами для условий задержания ливневого стока применяется формула:

 

,

 

где  – средняя скорость инфильтрации в канавах за время существования поверхностного стока (в м за 1 минуту);

 – средняя скорость инфильтрации в зоне прудка, образующегося перед водозадерживающим валом (в м за 1 минуту);

 – время водопоглощения (в минутах).

Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.

Для предварительной оценки применимости валов-канав и противоэрозионного комплекса с контурно-полосной организацией территории в различных зонах в таблице 2 приведены примерные превышения. Таблица отражает только общие закономерности почвенно-климатических зон, а местные условия в отдельных хозяйствах могут вызывать значительные отклонения.

Основную сложность при расчётах представляет определение суммарного водопоглощения, для чего требуется знание водопроницаемости тех почвенных разностей, на которых устраиваются канавы. От достаточной обоснованности величины суммарного водопоглощения зависит точность определения местоположения валов-канав при графическом проектировании.

Противоэрозионный эффект водопоглощающих канав определяется количеством воды, успевающей просочиться в более глубокие слои почвы за период существования поверхностного стока. Роль органического заполнения водопоглощающих канав, широко применяемых в опыте ВНИИВиВ, состоит в значительном улучшении фильтрационных свойств почвы.

Органический материал, покрывающий дно и стенки канавы, способствует активизации почвообразовательного процесса, в результате чего улучшается структура и порозность почвы. Деятельность почвенной флоры и фауны со временем распространяется от зоны контакта органического материала с почвой до глубины свыше 1, 5 м.

При сравнении свойств почвы под водопоглощающими канавами с аналогичными горизонтами почвы на прилегающих полях, проведённом в колхозе «Россия» Куйбышевского района Ростовской области, были установлены существенные изменения. В 1972 г. после 3 лет эксплуатации можно было наблюдать снижение объёмного веса, свидетельствующее об увеличении пористости почти в полуметровом слое почвы.

 

Горизонт почвы (в см)	Объёмный вес (в г/см3)
	В поле на расстоянии 50 м ниже канавы	Под канавой	В поле на расстоянии 50 м выше канавы
40 60 80 100 150	1, 13 1, 35 1, 60 1, 60 1, 67	1, 01 1, 20 1, 47 1, 51 1, 60	1, 37 1, 46 1, 57 1, 60 1, 56

 

Перенести на один разворот Таблица 2

Примерные превышения между валами-канавами

Тип почвы, зона	Рекомендуемые орудия и машины для устройства канав	Глубина канавы (в м)	Рабочая высота вала (в м)	Превышения (в м)
Черноземы выщелоченные (среднерусские)
Поволжье, ЦЧО, кроме Юго-Запада	ЭО-2621	0, 7	0, 6	4, 0
Юго-Запад, ЦЧО, Северо-Запад, УССР	То же	0, 7	0, 5	4, 0
Северные области УССР	» »	0, 6	0, 4	4, 5
Западные и юго-западные области УССР	ППУ-50А	0, 5	0, 4	3, 0
	ЭО-2621	0, 6	0, 4	5, 0
Западная Сибирь	То же	0, 7	0, 4	4, 5
Черноземы типичные (украинские)
ЦЧО	ЭО-2621	0, 7	0, 5	4, 0
Левобережные и северные области УССР	ППУ-50А	0, 5	0, 5	3, 0
	ЭО-2621	0, 5	0, 4	4, 5
Юго-западные области УССР	ППУ-50А	0, 5	0, 4	4, 0
	ЭО-2621	0, 5	0, 4	7, 0
Черноземы типичные (среднерусские)
ЦЧО	ЭО-2621	0, 7	0, 5	4, 5
Черноземы обыкновенные
ЦЧО и Поволжье (правобережная часть)	ЭО-2621	0, 7	0, 4	4, 0
УССР, Ростовская область	ППУ-50А	0, 5	0, 4	3, 5
	ЭО-2621	0, 5	0, 4	5, 0
Поволжье (левобережная часть)	То же	0, 7	0, 5	4, 0
Черноземы обыкновенные поверхностно-мицеллярно-карбонатные (приазовские, предкавказские, придунайские) и южные поверхностно-мицеллярно-карбонатные (придунайские),
Правобережье Дона, юго-восток УССР	ППУ-50А	0, 5	0, 4	4, 0
Молдавская ССР, юг УССР
Левобережье Дона, Северный Кавказ	То же	0, 5	0, 4	4, 5
Черноземы типичные (предкавказские)
Северный Кавказ	» »	0, 3–0, 5	0, 4	5, 0
	КЗУ-0, 5	0, 3	0, 4	5, 0
	МК-12	0, 4	0, 4	5, 0
	КОР-500	0, 6	0, 4	5, 5
Черноземы южные (среднерусские)
Поволжье	ППУ-50А	0, 5	0, 4	3, 0
	ЭО-2621	0, 5	0, 4	4, 5
УССР, Ростовская область	ППУ-50А	0, 5	0, 4	4, 5
Темно-каштановые, каштановые почвы
Ростовская область и Северный Кавказ, УССР	То же	0, 5	0, 4	3, 0
	ЭО-2621	0, 5	0, 4	4, 0
	КОР-500	0, 6	0, 4	4, 0
Поволжье	ЭО-2621	0, 7	0, 6	4, 0

 

 

Увеличение пористости связано с деятельностью дождевых червей, пронизывающих почву многочисленными ходами и улучшающих её структуру. На глубине 60 см от поверхности почвы в поле насчитывалось 70 – 86 ходов дождевых червей на 1 м². В том же горизонте под канавой было 226 ходов. В опытно-производственном хозяйстве ВНИИВиВ количество ходов на 1 м² в поле и под канавой на глубине 60 см было соответственно 324 и 524.

Прямые измерения впитывающей способности почвы в канавах, выполненные методом учёта воды, поступающей для поддержания постоянного пятисантиметрового уровня в металлических рамах размером 25 x 25 см, подтверждают их водопоглощающее значение.

В опытно-производственном хозяйстве ВНИИВиВ в марте 1972 г. в водопоглощающих канавах, сооружённых и заполненных соломой озимой пшеницы в 1970 г., через 4 часа после начала наблюдения скорость фильтрации установилась на уровне 3, 2 мм в минуту. На прилегающем к канаве участке зяби она за то же время составила 0, 65 мм в минуту, а в лесной полосе была равна нулю.

Слой воды, впитавшейся в почву в канаве, был в 5, 8 раза; больше, чем на зяби (рис. 15). Своеобразие условий зимы и весны 1971 – 1972 гг. объясняет лучшую водопроницаемость зяби, чем почвы в лесной полосе. В течение зимы снежный покров отсутствовал, промерзание почвы наблюдалось до глубины 1 м, но во всем метровом слое был значительный дефицит влаги. Поверхностный слой 0 – 10 см на поле, где проведена зяблевая пахота, к 22 марта был пересушен в результате вымораживания влаги.

В то же самое время в лесных полосах в момент проведения наблюдений заканчивалось таяние снега, снесённого сюда с прилегающих полей. Несмотря на незначительную мощность сугробов, талые воды переувлажнили поверхностный слой почвы и в нем образовалась ледяная корка. Этим и объясняется, что в лесной полосе опытно-производственного хозяйства ВНИИВиВ в марте 1972 г. вода не впитывалась.

Наблюдения, приведённые в винсовхозе «Курпский» Кабардино-Балкарской АССР, показали, что скорость фильтрации воды почвой в канавах уже на второй год службы повышается до уровня, характерного для свежевзрыхлённого плантажного слоя в междурядьях виноградников.

Для среднесуглинистых предкавказских чернозёмов винсовхоза она составляет в среднем 3, 1 мм в минуту, повышаясь в отдельных местах до 4, 5 мм в минуту.

 

Рис. 15. Водопроницаемость почвы в период снеготаяния
в опытно-производственном хозяйстве ВНИИВиВ 22 марта 1972 г.
Данные за первые 3 часа наблюдений: а – лесная полоса: б – оттаявший слой почвы; в – промёрзший слой почвы; г – водопоглощающая канава, заполненная соломой; д – водозадерживающий вал.

 

Преимущество водопоглощающих канав состоит в том, что высокие фильтрационные свойства почвы поддерживаются в течение круглого года и не подвержены отрицательному влиянию неблагоприятных условий.

При регулировании ливневого поверхностного стока возле водозадерживающего вала формируется прудок, и стекающая вода под напором фильтруется в почву по всей его ширине.

Существование поверхностного стока талых вод, как правило, связано со значительным ухудшением водопроницаемости почвы на водосборе. В основном это происходит из-за заполнения почвенных пор кристаллами льда, которые образуются при промерзании и глубоком охлаждении почвы, насыщенной влагой с осени или во время зимних оттепелей.

В водопоглощающих канавах, заполненных органическими материалами, почва осенью хорошо увлажняется за счёт перераспределения влаги и снижения испарения под мощным мульчирующим покрытием. По мере охлаждения происходит постепенное замерзание влаги в почве стенок канавы. Органические материалы отепляют почву, и дно может оставаться в непромёрзшем состоянии даже при общем промерзании, намного превышающем глубину канавы. При правильном выборе глубины канавы можно предохранять её от промерзания в большинстве районов черноземной зоны.

Однако из-за промерзания верхних частей стенок ширина зоны впитывания для условий регулирования поверхностного стока талых вод оказывается меньше ширины канавы (табл. 3).

 

Таблица 3

Ширина водопоглощающей зоны в канавах (в м)

Машина или орудие, используемые для поделки канав	Для условий весеннего снеготаяния, при максимальной для зоны проектирования глубине промерзания почвы (в м)							Для условий ливневого стока
	0, 5	0, 5	0, 75	1, 0	1, 25	1, 5	1, 75
ППУ-50А	0, 9	0, 8	0, 6	0, 4	0, 2	—	—	1, 2
КЗУ-0, 3	0, 6	0, 5	0, 3	—	—	—	—	0, 9
КЗУ-0, 5	0, 9	0, 8	0, 5	0, 2	—	—	—	1, 2
КОР-500	1, 7	1, 5	1, 2	1, 0	0, 7	0, 3	—	2, 0
МК-12	1, 0	0, 9	0, 5	0, 2	—	—	—	1, 2
ЭТЦ-161 при ширине рабочего органа: 0, 2 м 0, 4 м	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 4 0, 6	0, 5 0, 8
ЭО-2621	1, 2	1, 2	1, 2	1, 2	1, 2	1, 2	1, 2	1, 5

 

При проектировании водопоглощающих канав выбор способа их сооружения и глубины в соответствии с особенностями зоны оказывает существенное влияние на общую эффективность мероприятий, объёмы строительных работ и затрат на осуществление комплекса.

Скорость поглощения поступающей в канаву воды зависит от свойств почвогрунтов. При отсутствии опыта строительства канав с органическими заполнителями можно принимать скорость поглощения равной максимальной для данного типа почвы и механического состава. Условия, складывающиеся в водопоглощающих канавах под влиянием органических материалов, очень близки к условиям, которые существовали в период естественного формирования почв под степным растительным покровом. Поэтому структура, порозность и фильтрационные свойства в канавах близки к максимально возможным для типа почв, на которых проектируется регулирование поверхностного стока.

Данных о фильтрационных свойствах различных типов почв СССР относительно немного и установить по ним максимально возможные фильтрационные, свойства можно только с большой приблизительностью (табл. 4). Величина стока и условия его регулирования очень изменчивы. На современном этапе в различных зонах необходимо при проектировании использовать средние величины скорости впитывания водопоглощающей канавой ливневого стока и скорости фильтрации стока талых вод.

 

Таблица 4

Величина  и  для различных типов почв
(в м в минуту) (в числителе , в знаменателе )*

Тип почвы	Механический состав почв
	глинистые	тяжело-суглини-стые	средне-суглини-стые	легко-суглини-стые	супес-чаные
Чернозёмы: типичные					—
обыкновенные					—
северопри-азовские, предкавказские					—
южные					—
Тёмно-каштановые
Светло-каштановые

 

*Средняя скорость инфильтрации в канаве:  – стока ливневых вод,  − стока талых вод.

 

Условно среднюю скорость поглощения стока талых вод можно считать равной скорости фильтрации почвогрунта, определённой при проведении почвенно-мелиоративных изысканий методом затапливаемых площадок.

Среднюю скорость впитывания ливневого стока в канавах можно приравнивать к средней скорости впитывания, полученной тем же методом за первые 60 минут наблюдения. В обоих случаях фильтрационные свойства почвогрунтов необходимо изучать на угодьях, обладающих наилучшими водно-физическими свойствами. Для этих целей подходят целинные, степные участки, лес и неуплотнённые лесные полосы. В крайнем случае, можно проводить определение водопроницаемости на зяби.

Продолжительность периода впитывания условно принимается равной средней длительности периода снеготаяния и для ливней 60 минутам.

Перед водозадерживающим валом, преграждающим путь поверхностному стоку, формируется прудок. Водопроницаемость почвы здесь ниже, чем в водопоглощающей канаве, и во многом зависит от состояния почвы в период формирования стока. В тех случаях, когда сток талых вод проходит по ледяной корке, впитывание практически прекращается. Поэтому при расчёте валов-канав на задержание стока талых вод, критические массы которого формируются как раз при наличии ледяной корки, объём воды, фильтрующейся в почву в зоне прудка, не учитывается.

Для нарезки водопоглощающих канав можно применять различные сельскохозяйственные машины и орудия. Выбор определяется не только оснащённостью ими подрядчиков или хозяйств, но и особенностями почв и климата. В местности с глубоким промерзанием почв и большими объёмами стока талых вод канавы должны быть достаточно глубокими, чтобы обеспечить их непромерзание. В южных областях, где более сложно задержание ливневого стока, глубина не имеет решающего значения. Здесь более важна ширина зоны, поглощающей воду, где органические материалы способствуют улучшению свойств почвы. 

Работы, проведённые ВНИИВиВ, позволяют принимать в расчётах геометрические размеры водопоглощающих канав, они сведены в таблицу 5.

 

Таблица 5

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: