ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕЛИОРАЦИИ И

Стр 1 из 25Следующая ⇒

Т. Д. ЛАГУН

МЕЛИОРАЦИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ

5. Материалы для самостоятельного изучения

дисциплины (курс лекций)

для студентоввысших сельскохозяйственных учебных

заведений специальности 1 – 56 01 01 – Землеустройство

(ТЕМЫ 1, 2)

МОДУЛЬ 1

Горки 2012

ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕЛИОРАЦИИ И

РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

Понятие о мелиорации и рекультивации земель

Краткий исторический обзор развития мелиорации и рекультивации земель

1.3. Классификация мелиораций и рекультивации земель

Виды объектов и инженерных систем природообустройства и природопользования

Особенности мелиорации земель в Республике Беларусь

Понятие о мелиорации и рекультивации земель

Слово “мелиорация” происходит от латинского “melioratio”, что в переводе означает “улучшение”. В более конкретном выражении мелиорация представляет собой комплекс мероприятий, направленных на регулирование (улучшение) основных компонентов природной среды (факторов жизни растений).

Одним из средств восстановления ландшафтов, нарушенных добычей нерудных ископаемых и выработанных торфяных месторождений, а также улучшения санитарно-гигиенических условий природной среды являются рекультивационные мероприятия. Под рекультивацией земель (от латинского re... приставка, означающая возобновление + позднелатинское cultivo – обрабатываю, возделываю) понимается комплекс мероприятий по восстановлению продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, достаточный для экономически оправданного её хозяйственного освоения, создания водоёмов, рекреационных и селитебных зон.

Краткий исторический обзор развития мелиорации и рекультивации земель

Улучшением земель для расширения площади и повышения продуктивности используемых угодий люди занимаются со времени появления земледелия.

Интенсивность воздействия человека на окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности нарастала в ходе эволюции человечества. Искусственное орошение как вид мелиорации на земном шаре стали применять 3 – 4 тысячи лет до нашей эры в Египте, Китае, Ираке и Индии. В Ираке, в долине рек Тигра и Евфрата, до наших дней сохранились остатки древнейшего оросительного канала Нарван, сооружение которого относится к периоду существования одной из самых древних цивилизаций.

Оросительные мелиорации на территории Восточной Европы стали интенсивно развиваться на Северном Кавказе, в Поволжье, Барабинской степи, Причерноморье и других районах с XIX века. Особо пристальное внимание на развитие орошения обращалось после засух, неурожаев и голода. В 1913 г. было окончено строительство канала для орошения 35 тыс. га земель в Голодной степи.

Осушительные мелиорации стали применять значительно позже оросительных. Например, первые упоминания об осушении в восточнославянских княжествах относятся к XI—XV вв. (Новгород, Москва). Достоверные данные о первых мелиоративных работах появляются в документах XV века. Мелиорация земель проводилась тогда в форме расчисток полей от растительности и их последующего окультуривания.

Первые сведения о водохозяйственных работах на территории Беларуси относятся к началу XVI века. В районе г. Кобрина был прорыт канал длиной около 20 км. В 1770 - 1784 гг. осуществлялось строительство канала Огинского протяженностью 54 км, который соединил реки Припять и Неман. Канал существует и в настоящее время. Строительство Днепровско- Бугского канала протяженностью 196 км началось в 1775 г. и продолжалось почти 68 лет. Каналы строили в основном для навигации и лесосплава.

Особое место в истории осушительных мелиорации принадлежит Горы - Горецкому сельскохозяйственному институту (ныне Белорусская государственная сельскохозяйственная академия). В 1853 - 1860 гг. на территории участка «Иваново» этого института на большой площади профессором А. Н. Козловским был заложен закрытый гончарный дренаж – один из первых и старейших в Восточной Европе.

По состоянию на 1.01 2010 г. в Республике Беларусь общая площадь осушенных земель составляет 3, 42 млн. га или 31, 9 % сельскохозяйственных земель, на них сосредоточено производство 28 % продукции растениеводства, 58 % кормов, их потенциал составляет 50…70 ц/га к.е.[5].

Государственной программой устойчивого развития села предусматривается привести в нормальное состояние более 2 млн. гектаров мелиоративных и водохозяйственных систем, выйти на оптимальную структуру посевов на них, повысить продуктивность пахотных мелиорированных земель в среднем по республике до 55 ц. к. ед. с 1 га.

Рекультивация земель . Мировой опыт по рекультивации земель насчитывает всего около 80 лет. Первые работы по рекультивации земель были проведены в 1926 г. на участках, нарушенных горными работами (США, шт. Индиана). В СССР рекультивацию земель начали проводить с 1959 г. ( в Эстонии - при добыче сланцев, в России - при добыче бурого угля, на Украине - при добыче железной руды).

В настоящее время в Республике Беларусь разрабатывается открытым способом около 300 месторождений местных строительных материалов (глины, песка, песчано-гравийной смеси, строительного камня и др.), а также 30 месторождений нефти, поваренной и калийной соли.

Площадь с опасным уровнем химического загрязнения токсическими веществами (тяжелые металлы, нефтепродукты, нитраты и др.), почв в городах оценивается в 78, 6 тыс. га, в зонах влияния полигонов коммунальных и промышленных отходов – 2, 5, автодорог – 119, 3, в пределах сельскохозяйственных угодий – 10 тыс. га. Сельскохозяйственное производство ведется на 1, 3 млн. га земель, загрязненных радионуклидами.

Особенности мелиорации земель

В Республике Беларусь

Беларусь географически расположена на стыке зон избыточного и неустойчивого увлажнения. Причем, отличительной характеристикой республики является наличие на ее территории водораздела между бассейнами двух морей – Балтийского и Черного. Белорусское Полесье – один из наиболее заболоченных регионов: более чем на половине сельскохозяйственных угодий здесь действуют природные факторы, вызывающие переувлажнение. Именно на юге Беларуси расположены основные болота республики (около 2, 5 млн. га.), из них более 80 % относятся к болотам низинного типа.

Основные пахотные угодья исторически располагались здесь на низкоплодородных песчаных холмах, хаотично разбросанных среди бескрайних болотных массивов. Земледелие региона отличалось непредсказуемостью, сильнейшей зависимостью от погодных условий, низкой эффективностью, делали его стихийным и непредсказуемым.

Характерной особенностью водосборов Балтийского региона, которые по площади занимают около половины Беларуси, является развитый мезорельеф и большая пестрота почвенного покрова, наличие крутых склонов, переувлажненность низин, мелкоконтурность пахотных угодий, закустаренность, завалуненность.

Уровень земледелия и, соответственно, устойчивость продовольственного баланса в любом государстве определяется состоянием (качеством) земельного фонда. Почвенно-климатические и гидрогеологические факторы, формирующие земельный фонд Беларуси, приводили к тому, что значительная его часть (более 40 %) не могла без улучшения эффективно использоваться в сельскохозяйственном производстве из-за высокой переувлажнённости и заболоченности.

В целом, мелиоративный фонд Республики Беларусь (к нему относились потенциально плодородные земли, отличающиеся постоянным или периодическим переувлажнением) составлял 8 млн. га, в их числе 4, 5 млн. га можно было считать первоочередным мелиоративным фондом.

Северная часть территории Республики Беларусь входит в Прибалтийскую, южная – в Белорусскую часть южно – таежной зоны дерново - подзолистых почв. Почвообразующие породы: 12, 6% – озерно-ледниковые и лёссовые, 12, 7 – моренные, 41, 3 – водно-ледниковые, 17, 0 – древнеаллювиальные, 6, 8 – аллювиальные, 9, 6% – болотные; по механическому составу: глинистые – 0, 05%, суглинистые – 31, 6, супесчаные – 27, 7, песчаные – 31, 0 торфяные – 9, 6%.

Почвы республики образовались под влиянием подзолистого, дернового и болотного процессов. Значительно влияют на формирование почв окультуривание и эрозия. Основной тип почв в республике – дерново-подзолистые. Эти почвы занимают около 70% всей территории. В связи с большим разнообразием - почвообразующих пород дерново-подзолистые почвы Беларуси очень разнообразны. Разные по гранулометрическому составу, они неодинаковы и по плодородию. Сельскохозяйственные угодья характеризуются большим разнообразием, обусловленным их гранулометрическим составом, степенью увлажнения, проявлением эрозионных процессов, степенью закустаренности.

Вопросы для самоконтроля

1. Характерное отличие понятий мелиорация и рекультивация земель

2. Назовите показатели мелиоративного фонда Республики Беларусь

3. Какие основные типы(подтипы) мелиораций применяются в Беларуси?

4. Приведите примеры гидромелиоративных систем, водохозяйственных объектов и объектов обустройства территории

5. Особенности мелиорации земель Белорусского Полесья и Балтийского региона

Основы гидравлики

Гидрология суши

Основные понятия по гидрогеологии

Основы гидравлики

Гидравлика – это наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и дающая на основе теории и опыта способы применения этих законов к разрешению различных задач инженерной практики. Выделяют две основные части гидравлики: гидростатику, в которой изучаются законы равновесия жидкости, и гидродинамику, в которой изучаются законы движения жидкости. Название «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов δ δ ω р (хюдор) – вода и α δ λ ω τ (аулюс) – труба.

Жидкость – непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способная неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, но в отличие от газа мало изменяющая свою плотность при изменении давления.

Основные свойства жидкости. Жидкость, как физическое тело характеризуется двумя отличительными свойствами: 1) она практически несжимаема и нерастяжима и 2) обладает текучестью. В состоянии покоя она не может иметь касательных напряжений и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

Наиболее часто применяемыми в гидравлике характеристиками жидких тел являются плотность жидкости (масса ее единицы объема), которую принято обозначать буквой ρ (кг/м³) и вязкость жидкости (свойство оказывать сопротивление перемещению ее частиц), которая характеризуется обычно кинематическим коэффициентом вязкости υ (см²/с). Плотность и вязкость жидкости зависят от ее вида (вода, керосин и др.) и температуры.

Вакуумметрического давления

На плоскую поверхность

Пусть жидкость с плотностью ρ давит на вертикальную плоскую стенку (рис. 2.3.). Покажем графическое изображение закона изменения избыточного давления по глубине, т.е. вычертим эпюру давления.

Рис. 2.3. Схемы избыточного давления жидкости на плоскую стенку

Согласно формуле (2.3.). закон изменения давления линейный. При построении эпюры избыточного давления руководствуются следующими правилами: на свободной поверхности р = 0 (поскольку h = 0) на глубине h р = ρ gh (рис. 2.3), закон изменения давления характеризуется прямой линией; давление направлено перпендикулярно к стенке.

Если же жидкость расположена с обеих сторон стенки (рис. 2.3), эпюры давления строят отдельно с каждой стороны и затем графики суммируют с учетом знака.

Можно показать, что сила давления Р или суммарное давление жидкости на плоскую стенку, равно давлению в центре тяжести этой стенки р_с, умноженному на площадь ее затопленной части.

Для плоской прямоугольной вертикальной стенки (рис. 2.3) шириной в и высотой h имеем

Р = р_с в h, (2.6)

где р_с = рgh_c = pgh /2,

тогда Р =1/2 ρ g в h² (2.7)

Поскольку суммарное давление определяется площадью эпюры давления, то равнодействующая давления Р проходит через центр тяжести эпюры давления, который в треугольнике, как известно находится на 1/3 его высоты от основания.

Основная формула водослива

При истечении жидкости через отверстия в стенках сосудов или резервуаров поток теряет энергию только на преодоление местных сопротивлений в отверстии, которые определяются по формуле (2.26). Если толщина стенки в 3 и более раз больше его диаметра, то отверстие рассматривают как короткий трубопровод или насадок (всасывающие трубы насосов, сифоны, донные водоспуски в плотинах, напорные водоводы под насыпями дорог или с большим количеством колонок, задвижек, клапанов). В этом случае общие потери складываются из местных, определяемых по формуле (2.26) и на трение по длине (формула 2.25).

Если в боковой стенке или дне сосуда с жидкостью на глубине Н под уровнем имеется отверстие площадью ω, то через него под действием напора будет вытекать струя жидкости с расходом

Q = ,

(2.29)

где μ – коэффициент расхода, зависящий от формы отверстия (по опытным данным μ = 0, 60…0, 62).

Формула (2.32) справедлива и для гидравлического расчета насадок, но значения коэффициента расхода будут другие (например, для дефлекторных дождевальных насадок μ = 0, 80…0, 94, для струйных μ = 0, 94…0, 99).

Водосливом называется та часть преграждающего поток сооружения (плотины, пороги), через которую происходит перелив воды (рис. 2.7, 2.8).

Верхняя часть стенки–порог водослива. Часть водного потока перед водосливом называется верхним бьефом, а за ним – нижним бьефом(рис. 2.8 а). Высоту расположения уровня верхнего бьефа над порогом называют напором на водосливе Н.

Водосливы классифицируются по следующим признакам:

а) по форме выреза в стенке треугольные (рис. 2.7 а), трапецеидальные (рис. 2.7 б), прямоугольные и др.;

б) по типу стенки – с тонкой стенкой, при ее толщине δ < 2/3 Н (рис. 2.7 а, б), с широким порогомс δ > 2Н (рис. 2.8 а), к водосливам практического профиля (рис. 2.8, б).

в) по типу сопряжения струи с нижним бьефом – незатопленные, в которых уровень нижнего бьефа не влияе на расход и условия перелива через порог (рис. 2.8 б) и затопляемые (подтопляемые), в которых уровень нижнего бьефа влияет на расход и условия перелива (рис. 2.8 а);

г) по условиям подхода потока к порогу – без бокового сжатия (при ширине потока В равной ширине порога «в» и с боковым сжатием ( при В > в);

д) по расположению порога в плане – нормальные (при угле α = 90⁰ между порогом и направлением потока, косые (α < 90⁰), боковые (α = 0).

Расход воды через водослив Q можно определить по основной формуле водослива

, (2.30)

где m – коэффициент расхода водослива, зависящий от его классификации.

Например, для водосливов с тонкой стенкой, практического профиля и с широким порогом коэффициент m соответственно равен 0, 42; 0, 5 и 0, 32…0, 38.

Водосливы входят как составные части в различные гидротехнические сооружения типа как водосбросы плотин, входные оголовки противоэрозионных сопрягающих сооружений, сооружения на осушительных и оросительных системах.

Рис. 2.7. Схемы устройств, применяемых в мелиоративной гидрометрии:

а – треугольный водослив; б – трапецеидальный водослив;

Гидрология суши

Предмет гидрологии. Значение воды в нашей жизни трудно переоценить. Мы пользуемся ей ежедневно и она самое привычное для каждого человека, самое распространенное в биосфере вещество, но тем не менее она очень необычна, обладает уникальными физико-хими-ческими свойствами. Ни один биологический процесс не происходит без участия воды. Около 2/3 массы всего живого вещества на земле состоит из воды.

Вода является ценнейшим богатством и важным природным ресурсом. Более 70 % поверхности Земли покрыто водой. Общие запасы воды в гидросфере (океанах, морях, реках, озерах, ледниках, искусственных водоемах, подземных водах) составляют 1, 45 млрд. км³. Их можно представить в виде слоя воды толщиной 2650 м, покрывающего всю поверхность планеты 94 % общего объема воды приходится на моря и океаны (подземные воды – 4, 1 %, ледники – 1, 65 %, озера – 0, 016 %, реки – 0, 00019 %) Запасы пресной воды составляют чуть больше 30 млн. км³, причем 97 % из них сосредоточены в полярных шапках и ледниках Арктики и Антарктиды. И лишь не более 1 % пресной воды циркулирует в подземных водах, реках, озерах, болотах или же в виде атмосферной влаги, пара или дождя (30 % – подземные воды, 69 % – ледники и снежный покров, озера – 0, 26 %, реки – 0, 006 %).

Гидрология – наука, изучающая гидросферу, ее свойства и протекающие в ней процессы. Она подразделяется на 3 самостоятельные дисциплины: океанологию, гидрологию суши и гидрогеологию. Для мелиорации земель наиболее важны две последние, основы которых рассматриваются в данном разделе.

Самая многоводная река мира Амазонка, ее годовой сток (6390 км³) составляет около 17 % стока воды всех рек мира (для сравнения – наиболее крупные реки СНГ: Енисей – 624, Лена – 536, Обь – 400, Амур – 343, Волга – 243, Северная Двина – 100, Днепр – 54, Дон – 30 км³).

Днепр – самая крупная река Беларуси, длина которой от истока до устья 2145 км, а площадь бассейна – 504 тыс. км². Наиболее крупные притоки Днепра в пределах республики – Друть, Березина, Припять – справа и Сож – слева.

Западная Двина является второй по величине водной артерией Беларуси (площадь водосбора в пределах РБ – 33, 2 тыс. км²), общая длина реки – 1020 км. К основным правым притокам на территории Республики относятся реки Оболь и Дрисса, левым – Лучеса, Улла, Ушача и Дисна.

Третья по величине река Беларуси – Неман, бассейн которой занимает северо-западную часть республики. Общая длина Немана – 937 км, площадь белорусской части водосбора – 35 тыс. км².

Ресурсы речного стока и подземных вод (км³) по областям составляют соответственно: Гомельская 24, 5 и 1, 93; Витебская 12, 9 и 3, 36; Брестская – 10, 7 и 1, 58; Могилевская– 10, 6 и 2, 28; Гродненская – 8, 8 и 2, 62; Минская – 6, 4 и 4, 13. 56 % речного стока принадлежит бассейну Черного моря и 44 % – Балтийскому.

Для сравнения – водные ресурсы России составляют 834, Норвегии – 376, Англии – 152, Польши – 85, Беларуси – 58, Украины – 50, Латвии – 17, Литвы – 16 км³.

Озера, водохранилища и пруды. В пределах стран СНГ расположено более 2850 тыс. озер, водохранилищ и прудов с общей площадью зеркала воды около 490, 000 тыс. км². Общий объем воды в пресных озерах составляет 27 тыс. км³, 98 % его содержится в уникальном по своим размерам и качеству воды озере Байкал (объем воды 23 км³) Крупнейшим в Республике Беларусь является озеро Нарочь (площадь зеркала – 80 км², средняя глубина 9 м, максимальная – 25 м). Основу природного озерного фонда Республики составляют 1072 водоема с площадью более 0, 1 км² (общая площадь 1500 км², суммарный объем воды 6…7 км³).

Основное число озер размещается в бассейне Западной Двины (72 % всех запасов), Немана (20 %) и далее Припяти и Верхнего Днепра. Происхождение озерных котловин на севере (Белорусское Поозерье) связано с деятельностью последнего ледника и его талых вод. На юге республики распространены озера Полесского типа (разливы), карстовые и многочисленные старицы в разных долинах.

В Браславском и Ушачском районах на долю озер приходится более 10 % их площади. Крупнейшими водохранилищами в Российской Федерации являются Братское на р. Ангара (объем воды 169 км³), Красноярское на р. Енисей (73 км³), Куйбышевского на р. Волга (58 км³).В Беларуси самым крупным является Вилейское водохранилище (площадь зеркала 68 км², объем воды 260 млн. м³.

Объемы потребления воды в мире за последние 10 лет увеличились в 100 раз и в 2000 г. составили почти половину всех запасов воды, пригодной для употребления. Сельское хозяйство, в т.ч. орошение, является основным потребителем водных ресурсов (63 %), промышленность – до 24 %. Современная потребность человечества в воде составляет 19 тыс. км³.

Показателем водоемкости экономики любой страны является отношение объема забранных природных вод к валовому внутреннему продукту (м³/доллар США). Для большинства индустриальных стран вне зависимости от природных условий этот показатель находится в пределах 0, 04…0, 12. В республике Беларусь за 1990…2000 г. он колебался в пределах 0, 04…0, 15. Основными потребителями воды являются концерн Белмелиоводхоз, Министерство жилищного и коммунального хозяйства, концерн топлива и энергетики, Министерство транспорта и коммуникаций, Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Гидравлический цикл и водный баланс. Вода находится в непрерывном замкнутом процессе перемещения, включающем накопление, испарение и перераспределение воды и известном как глобальный гидрологический цикл или круговорот воды (рис. 2.9). Этот цикл имеет три потока: осадки, испарение и влагоперенос. Осадки выпадают из атмосферы на сушу и океаны, вода возвращается в атмосферу при испарении. С суши в океан направляется поверхностный сток и поток грунтовых вод, а водяной пар переносится атмосферными потоками с океана на сушу. Круговорот воды – самый значительный по перемещаемым массам и затратам энергии круговорот на Земле. Каждую секунду в круговорот вовлекается 16 млн. м³ воды.

Гидрологический цикл может быть коротким, когда только что выпавшая в форме осадков вода тут же возвращается в атмосферу в процессе поверхностного испарения, или когда испарившаяся сразу после грозы влага с поля выпадает в виде дождя в соседнем районе. С другой стороны цикл может растянуться на сотни и даже тысячи лет, если влага в результате глубокого просачивания переносится с грунтовыми потоками, превращается в ледник и т.д.

Рис. 2.9. Круговорот воды в природе

Увеличение (+) или уменьшение (–) запасов влаги ∆ W на территории за расчетный период описывается уравнением

± ∆ W = ( Р + А + Д + Г + Г_н + Г_ф + Г_а + К) – (Е + О_п + О_г) (2.30)

Рис. 2.10. Компоненты водного баланса территории

Следует отметить, что чем больше рассматриваемая территория и интервал времени, тем уравнение водного баланса проще. Так, для отдельных территорий (например, бассейн реки) в общем виде оно записывается следующим образом

±∆ W = Р – (Е + О),

где О – отток поверхностных и грунтовых вод.

Речного водосбора

Речной водосбор характеризуется площадью, коэффициентом асимметрии и средним уклоном водосбора, длиной главного водотока и его коэффициентом извилистости, густотой речной сети.

Территория, с которой собирается сток в речную сеть до расчетного створа, является площадью речного водосбора или водосборной площадью F. Она заключена в границах водораздельной линии 1. Поэтому для изучения водосбора необходимо иметь карту (план) с горизонталями местности 1, расположение главного водотока 2 и его притоков 3. В верхней части водосбора от расчетного створа на карте устанавливают границу водораздела и проводят водораздельную линию 4. Одновременно намечают линию по самой пониженной части тальвега (рис. 2.11). При помощи планиметра или палетки определяется площадь территории (км²), заключенной в границах водораздельной линии и оси створа 5.

Рис. 2.11. Карта бассейна реки

Длина главного водотока L (км) определяется курвиметром по линии наибольшей протяженности русла (или измерением мерной лентой на местности). Аналогично измеряется суммарная длина притоков ∑ L = L₁ +…+L_n(км), где L₁…L_n – длина отдельных притоков.

Густота речной сетиρ (км/км²) – это отношение суммы длин всех водотоков к водосборной площади.

ρ = (L + Σ L)/F. ( 2.31)

Коэффициент извилистости главного водотока δ определяется отношением его длины L, измеренной на карте, к сумме отрезков прямых, соединяющих начало и конец характерных однообразно ориентированных участков реки L_n.

δ = L/L_n. ( 2.32)

Коэффициент асимметрии водосбора К_а – это отношение разности пло-щадей левой (F_л) и правой (F_n) площади водосбора к общей площади F.

К_а = (F_л– F_n)/F. (2.33)

Средний уклон склонов I_ср определяют по горизонталям местности как среднее арифметическое из 5…10 измерений:

Гидрографическую схему реки выполняют следующим образом. В определенном масштабе (1: 25000 или 1: 50000) в виде прямой изображают главный водоток – реку. Затем прямыми линиями (под углом 45…60⁰) показывают притоки и их длину.

При построении графика нарастания водосбора на оси абсцисс откладывают длину реки, а на оси ординат указывают водосборную площадь бассейна F (в нашем примере F = 24 км²). Затем планиметром или палеткой измеряют водосборные площади притоков (f_пр). ).

Отложив водосборную площадь всех притоков (∑ f_пр, в нашем случае равна 9 км²), получают непосредственно площадь бассейна главной реки ( в примере на рис. 2.12, б эта площадь составляет 15 км²). Линию нарастания площади водосбора главной реки (f_гк) условно принимают в виде прямой, изображенной на рисунке штрихами. Угол наклона графика нарастания площади бассейна к абсциссе сохраняется постоянным. Нанеся площади водосбора бассейнов всех притоков, получают график нарастания площади бассейна реки.

Гидрографическая схема и график нарастания водосбора необходимы для предварительного планирования расположения водозаборов воды для целей орошения, водоснабжения и других нужд.

Методы выражения стока. Сток поверхностных вод зависит от многих факторов: осадков и испарения, рельефа гидрографической сети, размеров и формы водосбора, почвенно-геологических условий, растительного покрова, озерности и др. и характеризуется следующими показателями.

Расход в расчетном створе Q (м³/с) и объем стока W (м³) – количество воды, протекающее через определенное поперечное сечение соответственно в единицу и за определенный промежуток времени.

Рис. 2.12. Гидрографическая схема реки (α ) и график

нарастания водосбора (б)

Основные понятия по гидрогеологии

В этом разделе рассматриваются способы обработки простейших гидрогеологических наблюдений, связанных с фильтрацией воды в грунте, потоком грунтовых вод, гидрогеологическим разрезом выбранного сечения местности. Эти данные используются при водобалансовых расчетах, изыскании возможностей сельскохозяйственного водоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов из подземных водоисточников, строительстве гидротехнических сооружений. Для этого необходимо знать коэффициент фильтрации грунта, мощность и глубину расположения водоносного пласта, направление движения и расход грунтовых вод и т.д.

Воды, находящиеся в толще земной коры во всех физических состояниях (пар, лед, капельножидкая вода) называются подземными. Они образуются путем просачивания (инфильтрации) в земную толщу атмосферных осадков и поверхностных вод.

Наука, изучающая происхождение, распространение, режим, ресурсы и физико-химические свойства подземных вод называется гидрогеологией.

Подземные воды – один из основных источников питьевого и технического водоснабжения. В Республике Беларусь водозабор из подземных источников ежегодно составляет более 1 км^3.при общих запасах 16 км³.

Почвенная влага

Вода является одной из 3-х составляющих почвы (твердой, газообразной, жидкой). Академик Г. И. Высоцкий сравнивал роль воды в почве с ролью крови в живом организме. Вода играет важную терморегулирующую роль в жизни растений.

Источников воды в почве три: атмосферные осадки, парообразная влага приземных слоев атмосферы (путем конденсации или адсорбирования водяных паров из воздуха) – роса, грунтовые воды.

Форма воды в почве определяется агрегатным состоянием и взаимодействием с твердой и газообразной фазами. Различают 2 группы воды: связанная (химически, физически, в твердом состоянии) и свободная (парообразная, капиллярная, гравитационная, грунтовая).

Химически связанная вода входит в состав ряда веществ почвы, не принимает участие в физических процессах и не испаряется при температуре 100⁰С.

Физически связанная вода делится на гигроскопическую (адсорбируемую почвой пары воды из воздуха) и пленочную (удерживаемую вокруг твердой частицы почвы молекулярными силами. Гигроскопическая влага передвигается в почве только при переходе в парообразное состояние. Пленочная вода перемещается под действием градиента молекулярных сил. Количество пленочной воды в почве приблизительно равно двойной гигроскопичности.

Вода в твердом состоянии (лед) содержится в почве при отрицательной температуре.

Парообразная вода содержится в почве (не более 0, 001 % массы) при любой влажности, занимая поры, свободные от капельножидкой воды. Передвижение парообразной воды происходит из слоев более насыщенных парами к менее насыщенным или из слоя с более высокой температурой и упругостью в слой с более низкой температурой.

Капиллярная вода насыщает капилляры почвы, соприкасающейся со свободной водной поверхностью. Она удерживается в почве силой водных менисков.

Гравитационная вода перемещается в почве под действием сил тяжести. Это перемещение возникает, когда все поры почвы заполнены водой.

Грунтовая вода образуется в водоносном слое, лежащем на маловодопроницаемом (водоупоре).

Количество воды в почве характеризуется влажностью и запасами влаги в ней. Различают абсолютную влажность почвы и относительную.

Абсолютная влажность почвы β (%) – это отношение массы влаги в некотором объеме почвы m_в к массе сухой почвы m_c

β = (2.40)

Относительная влажность почвы β ₀ (%) – это отношение абсолютной влажности β к какой-либо другой водно-физической константе почвы, например, к наименьшей влагоемкости почвы НВ.

Запасы воды W в слое почвы h (м) выражают в м³/га и определяют по зависимости

W = 100 h α β, (2.41)

где α – объемная масса почвы или ее плотность в естественном состоянии, т/м³.

Фильтрация

Гравитационная вода перемещается в почве под действием собственной массы. Ее перемещение происходит, когда все поры почвы заполнены водой, т.е. при полной влагоемкости (ПВ). Движение гравитационной воды называется фильтрацией, которая выражается количеством воды, проходящей через почву за определенное время.

Впервые закон движения воды в почве сформулировал ученый

Дарси (Франция, 1856). Он установил, что объем воды, который проходит через слой песка, прямо пропорционален напору и обратно пропорционален пути фильтрации:

W = К ω t, (2.44)

где W – объем воды, см³;

h – (напор) разность уровней воды в начале и конце пути фильтрации, см;

t – время фильтрации, с;

ℓ – длина пути фильтрации, см;

К – коэффициент фильтрации, см/с;

ω – площадь живого сечения, см².

Отношение h/l называется градиентом напора i или гидравлическим уклоном.

Учитывая, что расход воды Q = W/t (cм³/с), а скорость ее движения V = Q/ω (cм/c) получим, что скорость фильтрации

V = К · I (2.45)

Эта зависимость представляет основной закон фильтрации или закон Дарси. Он показывает, что для данного грунта с коэффициентом фильтрации К скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому уклону r.

Закон Дарси выполняется при ламинарном движении подземных вод. В крупнообломочных и трещиноватых породах, а также в при фильтровой зоне скважин, из которых ведется откачка, может быть их турбулентное движение, тогда V = К .

Рис. 2.19. Схема лабораторной установки для определения

коэффициента фильтрации почвогрунта:

1 – почвенный монолит; 2 сетка;

Отводная и подводящая трубы

Коэффициент фильтрации является одной из важнейших характеристик почвогрунтов и широко используется в гидромелиоративных расчетах. Он определяется различными способами – в лабораторных и полевых условиях или может быть рассчитан по теоретическим формулам.

В лабораторных условиях коэффициент фильтрации грунта можно определить на приборе Дарси-Тима. Принципиальная схема лабораторной установки приводится на рис. 2.19.

Через слой грунта (I), уложенного в сосуд, пропускается вода при установившемся движении и напоре h.

Замеряется объем воды W (см³) ) в сосуде при известной площади живого сечения (ω ) и пути фильтрации (ℓ ) за время фильтрации t. По

физическому смыслу коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения гравитационной воды в грунте при гидравлическом уклоне (i) равном единице.

Из уравнения (2.44) находится коэффициент фильтрации грунта

(2.46)

Коэффициент фильтрации К зависит от температуры воды. С повышением температуры воды уменьшается ее вязкость и увеличивается коэффициент фильтрации. Поэтому полученный коэффициент фильтрации К при произвольной температуре воды t приводится к коэффициенту фильтрации при t = 10⁰С.

.Опыты проводятся не менее трех раз при различных значениях η. Затем находится среднее значение коэффициента фильтрации.

В полевых условиях коэффициент фильтрации грунта определяют методом откачки воды из скважины. Если уровни грунтовых вод находятся глубоко или отсутствуют, то коэффициент фильтрации определяется методом налива воды в скважины. Чаще используют на мелиорируемых землях метод откачки. Для этого на расстоянии 3…5 м друг от друга устраивают не менее трех скважин. Диаметр скважины рекомендуется 10 см. Скважины должны быть глубже уровня грунтовых вод не менее чем на 0, 5 м (рис. 2.20).

В начале откачивают воду их скважины, понижая уровень в ней до величины У_о (м). Окружающие подземные воды начинают заполнять скважину причем, чем больше коэффициент фильтрации К, тем заполнение идет быстрее. В процессе опыта фиксируют несколько значений у (t). Расчеты К (м/сут) ведут по наиболее распространенной в мелиорации формуле Г. Д. Эркина

(2.47)

где r – радиус скважины, м;

Н – глубина от статического уровня воды до дня скважины, м.

Рис.220. Схема к определению коэффициента фильтрации методом

восстановления уровня в одиночной скважине; у₀ – расстояние до уровня воды сразу после откачки; 1 – линия динамического уровня

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒