«5.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ, ОЩЕЛАЧИВАНИЯ И СОДОПРОЯВЛЕНИЯ В ОРОШАЕМЫХ ПОЧВАХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВ ПРИ ОРОШЕНИИ 1 Введение По данным ФАО 2, население земного шара ...»

5.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ, ОЩЕЛАЧИВАНИЯ И

СОДОПРОЯВЛЕНИЯ В ОРОШАЕМЫХ ПОЧВАХ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВ

ПРИ ОРОШЕНИИ 1

Введение

По данным ФАО 2, население земного шара очень быстро

растет и за последние 15 лет увеличилось на 1/ 3. В то же время около 75% населения (исключая население индустриально развитых стран) страдает от голода. В связи с этим в мире усиленно изучается потенциальная биологическая продуктивность нашей планеты. И если для увеличения продуктов питания в ряде стран в первой половине века главное внимание уделялось химизации, то во второй половине века – ирригации. В настоящее время орошается шестая часть пахотных земель мира (225 млн. гектаров). Причем к ирригации прибегают не только в странах с сухим климатом, где без орошения земледелие практически невозможно, но и в странах с достаточным увлажнением (например, в Англии, Голландии и др.), где с помощью ирригации получают устойчивые урожаи (С.А. Гиршкан, 1969).

В Советском Союзе для удовлетворения возрастающей потребности населения в продуктах питания, а промышленности в сырье намечена грандиозная программа работ по мелиорации земель, которой предусмотрено создание трех районов гарантированного урожая зерновых культур – на Украине, Поволжье и Северном Кавказе. К концу четвертого года пятилетки на Украине введено в эксплуатацию 1,3 млн. гектаров орошаемых земель.

Производство зерна на этих землях в девятой пятилетке должно достичь 10–12 млн. тонн.

Курс на ирригацию в стране оправдался уже в первые годы. Так, в Крымской области за 1966–1970 гг. урожай зерновых составил в среднем 45,1 ц/га, в том числе озимой пшеницы 41, и риса 53,9 ц/га. За этот же период в совхозе «Комсомольский»

Херсонской области урожай озимой пшеницы достиг 52,6 ц/га, а в совхозе «Авангард» Николаевской области –52,7 ц/га. В целом Опубликовано в монографии «Прогнозирование вторичного засоления почв при орошении». Киев, изд. «Урожай», 1975, 184 с. Из этой книги в данный сборник помещены: введение, глава II и выводы.

ФАО – секция ЮНЕСКО, занимающаяся вопросами продовольствия и сельского хозяйства.

во многих хозяйствах юга Украины урожай озимой пшеницы и риса достиг проектного уровня, по другим культурам урожаи пока ниже проектных.

Некоторые организационные и эксплуатационные недостатки, а также не вполне благоприятные природные условия в какой-то мере сдерживают получение ожидаемого эффекта от орошения на части площади. В известной степени это закономерно, ибо мировой практикой ирригации установлено, что орошение земель засушливых областей представляет собой исключительно сложную проблему и прежде всего потому, что эти территории нередко приурочены к бессточным низменностям, испытавшим засоление в прежние геологические эпохи, а поступление огромных количеств воды при ирригации нарушает сложившийся водно-солевой баланс и ведет к повышению уровня грунтовых вод, заболачиванию и вторичному засолению.

В настоящее время вторичное засоление проявляется в огромных размерах на орошаемых землях Пакистана, Ирака, Сирии, Китая, Египта и других стран.

Вторичное засоление не только приносит огромный материальный ущерб, но и портит природу земного шара. И в этом аспекте вопросы правильного выбора территории под орошение, прогнозирования и предотвращения вторичного засоления и рационального использования почв при ирригации выходят за рамки чисто научных и даже национальных интересов, приобретая, в известной мере, международное значение.

С особой остротой эти вопросы возникли на Украине, где ранее не было опыта широкого орошения. Здесь на впервые построенных системах произошло некоторое ухудшение мелиоративной обстановки. Возникла необходимость в реконструкции построенных и уточнении проектов новых оросительных систем.

Потребовались более глубокие научные исследования с обстоятельным анализом исходных природных условий, учетом влияния первых лет орошения и прогнозом дальнейших изменений мелиоративной обстановки.

Одним из первых в эту работу включился Украинский научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии им. А.Н. Соколовского. Еще задолго до широкой ирригации, в начале 50-х годов, автор данной книги начал изучать почвы Крымской области по вопросам, связанным с предстоящей ирригацией и повышением плодородия солонцовых почв.

В результате исследований было обнаружено резкое различие в водно-солевом режиме почв в зависимости от глубины грунтовых вод, которое послужило основой для разделения почвенного покрова на луговые, лугово-степные и степные комплексы почв, что имело существенное значение при оценке возможности использования почв под орошение. Разделение почвенного покрова по степени гидроморфности отражено на ряде почвенных карт Крыма, в том числе и на последней, составленной почвоведами Крыма под нашей редакцией в масштабе 1 :

200000, а также на составленной нами карте степного Крыма в масштабе 1 : 750000, являющейся частью карты почв Украины.

Была также установлена своеобразная геохимическая зональность соленакопления, отраженная на первой карте типов засоленности почв степного Крыма, составленной в 1953 г. Эта карта использована при мелиоративном районировании и первых прогнозных расчетах, выполненных для проектирования орошения в пятидесятых годах (А. В. Новикова, 1958, 1959).

Поставленные автором в 1949 г. опыты по мелиорации солонцов в разных геоморфологических условиях Крыма, которые сопровождались изучением генезиса солонцов, позволили в короткий срок установить необходимость применения различных приемов повышения их плодородия, предложить их районирование (А.

В. Новикова, 1962), а с 1959 г. по решению Крымского облисполкома их стали внедрять в производство.

С 1962 г. мы начали вплотную заниматься разработкой метода солевого прогноза на примере ряда участков Краснознаменного и Северо-Крымского массивов еще до начала их орошения (А.В. Новикова, 1964, 1967). В последующие годы на этих участках были организованы стационарные опыты, на которых велись наблюдения за фактическим изменением солевого состава почв и грунтовых вод при орошении.

Когда в последние годы возникла необходимость обоснования уточненного проекта орошения Северо-Крымской и переустройства Краснознаменной систем, то, располагая большим фактическим материалом личных исследований, исследований сотрудников руководимой лаборатории, а также фондовыми материалами ряда организаций, мы приступили к их обобщению, желая помочь проектирующей организации.

Известно, что качество проекта орошения в значительной мере определяется полнотой и глубиной предшествующих ему изысканий, в частности почвенно-мелиоративных. Недостаточная исходная характеристика объекта орошения нередко приводит к просчетам в проектировании и оборачивается в последующем большими затратами на переустройство оросительной сети и осуществление дополнительных мер по оздоровлению мелиоративной обстановки.

Поэтому сейчас, в период широкой ирригации в стране, особенно важно совершенствовать методы почвенномелиоративных исследований.

Возникнув в начале XX века на стыке почвоведения, гидрогеологии и гидромелиорации, мелиоративное почвоведение своим появлением было обязано работам В.С. Богдана (1900), С.А. Захарова (1905) и особенно Н.А. Димо (1910, 1911), который впервые при обследовании почв поставил цель получить оценку пригодности их под орошение и обосновать рациональное их использование. В 30-е годы в почвенной мелиорации формируются собственные методы исследований (Б.Б. Полынов, 1930;

С.В. Зонн, 1934; Н.А. Качинский, 1934; Л.П. Розов, 1936;

В.А.Ковда, 1937; Д.Г. Виленский, 1937 и др.).

С конца сороковых годов в связи с развертыванием в стране ирригации усилилось внимание к почвенной мелиорации.

Широкие региональные и стационарные исследования, результаты которых изложены в крупных обобщениях, вскрыли новые закономерности в системе почво-грунт – вода и дали возможность усовершенствовать методы почвенно-мелиоративных исследований (В.А. Ковда, 1946; А.Н. Розанов, 1946, 1959; В.Р. Волобуев, 1948; А.Т. Морозов, 1954; П.А. Летунов, 1958; В.В. Егоров, 1959; И.С. Рабочев, 1961; О.А. Грабовская, 1961; А.П. Бирюкова, 1962; Н.И. Базилевич, 1965; П.С. Панин, 1968; Н.Г. Минашина, 1970 и др.).

В настоящий период в связи с научно-техническим прогрессом почвенно-мелиоративная наука получает дальнейшее свое развитие благодаря использованию ряда методов смежных наук, а также успехов мелиоративного почвоведения. Так, появилась возможность количественно оценить не только общую, но и токсичную засоленность почво-грунтов; перейти от характеристики засоления по так называемым типичным разрезам к усредненной математически достоверной оценке засоления, основанной на использовании теории вероятности; вместо качественной характеристики степени естественной дренированности перейти к количественным показателям и т. д.

В работе над книгой автор стремился показать на примере юга Украины возможность применения более совершенных методов оценки пригодности территории для орошения, более широкого использования методов математической статистики в мелиоративном почвоведении, ознакомить с предложенным методом солевого прогнозирования и результатами расчетов, показать фактическое изменение обстановки в первое десятилетие орошения и предложить мероприятия по предупреждению вторичного засоления и по рациональному использованию почв.

ГЛАВА II

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВ

Основные принципы существующих методов почвенномелиоративного прогнозирования Проектирование оросительных мелиораций в нашей стране имеет довольно длительную историю. Однако до настоящего времени существенным недостатком как изыскательских работ на территории будущего широкого орошения, так и самих проектов, являлась поверхностная оценка возможного изменения мелиоративной обстановки в ходе ирригационной эксплуатации поливных массивов. Такую оценку делали на основании условий, предшествующих орошению. Как отмечает С.Ф. Аверьянов, «у многих почвоведов и гидрогеологов, которые дают заключение о пригодности земель для орошения и составляют их характеристики, прочно укоренилось ошибочное мнение, что описание существующих до орошения условий является вполне достаточным для обоснования проекта. По этим материалам делается районирование земель и качественно оценивается мелиоративное состояние последних. Поэтому часто создается впечатление о мнимом благополучии мелиоративного состояния земель, что приводит к серьезным ошибкам и необходимости в дальнейшем их исправления» (1965, стр. 95). И здесь же С.Ф. Аверьянов подчеркивает необходимость разработки специальных прогнозов, которые должны быть частью ирригационных проектов.

Со второй половины прошлого десятилетия положение в ирригационном проектировании сильно изменилось в лучшую сторону. Прогноз мелиоративной обстановки уже считается обязательной составной частью проекта. И все же научное прогнозирование почвенно-мелиоративной обстановки стало предметом настойчивых исследований лишь в последние годы. Раньше всего начали разрабатываться методы гидрогеологического прогноза, в становлении которых участвовали не только гидрогеологи, но и физики, математики. В результате этого к настоящему времени имеется целый ряд методов гидрогеологического прогноза (Д.М. Кац, 1969).

В разработке почвенно-мелиоративных прогнозов, которые стали изучаться позже, чем гидрогеологический прогноз, наметились следующие направления.

Метод сравнительных почвенно-географических и почвенно-мелиоративных аналогий базируется на использовании принципа экстраполяции (перенесения). Основан на изучении староорошаемых массивов и экстраполяции выводов об изменении почвенно-мелиоративных условий на территорию, намеченную под орошение.

Балансовый метод основан на расчетах баланса грунтовых вод, их состава и выноса солей в корнеобитаемую часть почвы на будущем орошаемом массиве (В.А. Ковда, 1947;

Е.Л. Минкин, 1957; А.Т. Морозов, 1962; Н.М. Решеткина, 1965;

Ф.И. Козловский, 1966).

Аналитические методы состоят в математическом описании процесса передвижения солей под влиянием конвективной диффузии и растворения (Н.Н. Веригин, 1953;

С.Ф. Аверьянов, 1965; В.А. Барон, 1967; Л.М. Рекс, 1968; М.П.

Чиркин, Д.Ф. Шульгин, 1967; В.И. Пеньковский, 1971 и др.). Методы позволяют рассчитать ожидаемое содержание солей только в первом приближении, поскольку не могут описать все процессы, которые совершаются при насыщении почво-грунтов грунтовыми водами.

Метод моделирования процессов перемещения воды и солей в почво-грунтах возник в связи с отсутствием четких представлений об элементарных процессах, протекающих при взаимодействии грунтовых вод с почво-грунтами. Этот метод мало разработан.

Одной из попыток применения физического моделирования для составления солевого прогноза является метод, предлагаемый автором данной работы (А.В. Новикова, 1964, 1967), основные положения которого будут рассмотрены ниже.

Прогнозированию распределения солей при орошении посвящено и несколько зарубежных работ (Шевет и Рейнгер, 1964; Дей и Форзиц, 1957; Гарднер и Брук, 1957; Нильсон и Биггар, 1962; Дутт, 1964; Бреслер, 1967 и др.), однако в них рассмотрены вопросы прогнозирования распределения солей в почве под влиянием промывного режима. При этом учитывается осолоненность оросительной воды. Влияние отрицательного водного баланса, при котором испарение преобладает над инфильтрацией, а также воздействие грунтовой воды при подпитывании ею почвенного профиля, в этих работах не взяты во внимание. Лишь в опубликованной в 1971 г. статье Сабольч, Дараб, Варалляи отмечается отрицательное влияние грунтовых вод на засоление почв и предлагается формула для учета такого воздействия.

Основные положения теории вторичного засоления почв и вопросы, решаемые при прогнозировании Литературные данные по характеристике условий и факторов, способствующих появлению вторичного засоления и его развитию во времени и пространстве (В.С. Богдан, 1900;

С.А. Захаров, 1905; Н.А. Димо 1911; В.С. Малыгин, 1913;

М.М. Бушуев, 1915; Б.Б. Полынов, 1903; Ю.Г. Лопато, 1932; Л.П. Розов, 1936; В.А. Ковда, 1946; А.Н. Розанов, 1946; В.В. Егоров, 1959;

Н.Г. Минашина, 1963; К.Э. Бурзи, 1970 и др.), а также непосредственный анализ явлений, протекающих на новых оросительных системах юга Украины в первое десятилетие после ввода их в эксплуатацию, дают возможность автору представить следующую концепцию вторичного засоления почв.

Вторичное засоление является неизбежным спутником орошения только при следующих условиях: слабой естественной дренированности территории; наличии определенного исходного запаса солей в почво-грунтах (а также грунтовых водах), вовлечение которых в ирригационный влагооборот может вывести эти соли из состояния резерва и привести в активное состояние;

подъеме грунтовых вод и превышении критической глубины их залегания и критической минерализации (В.А. Ковда, 1946).

Грунтовые воды поднимаются вследствие фильтрации воды в каналах и на полях с образованием куполов фильтрационной воды, непосредственного растекания этой воды в стороны и гидродинамического отжимания естественных грунтовых вод вверх (А.Н. Костяков, 1960; А.Н. Костяков, Н.Н. Фаворин, С.Ф. Аверьянов, 1956; В.А. Ковда, 1946; В.В. Егоров, 1959). Подъем грунтовых вод представляет, таким образом, результирующую горизонтального и вертикального перемещения воды в почвогрунтах. Темп подъема грунтовых вод зависит от элементов, составляющих водный баланс территории.

Поднимаясь в толще почво-грунтов, грунтовые воды претерпевают изменения в минерализации и составе, что обусловлено растворением солей из твердого субстрата (или выпадением их в осадок из раствора), диффузией, обменнопоглотительными реакциями с коллоидным комплексом или взаимодействием самих солей. Помимо этого, на состав грунтовых вод оказывает влияние также инфильтрация поливной воды (если она имеет место). Она может усилить или ослабить осолоненность поднимающихся грунтовых вод. Если вода недостаточно насыщена солями, то она может растворить соли, заключенные в породах и почвах, и, следовательно, минерализация ее повысится. Если же ею достигнут предел солевой концентрации для данных условий (т. е. уровень насыщенности солями), то она в дальнейшем, проходя сквозь другие слои почво-грунтов, «не растворяет соли и не наращивает минерализации, а проходит через эти слои транзитом. Когда предельно насыщенная вода поступает в слои с меньшим засолением или с меньшей влажностью, эти слои становятся более засоленными» (П.С. Панин, 1968, стр. 50). В том же случае, когда минерализация воды при перемещении сквозь толщу пород даже остается неизменной, то в ней все же увеличивается количество хлоридов, поскольку они не адсорбируются почвой и имеют высокую растворимость.

Отмеченные здесь изменения минерализации вод при их прохождении сквозь почвы и породы должны происходить не только при фильтрации пресной воды, т. е. при движении ее главным образом вниз (что изучали В.В. Спенглер и П.С. Панин), но (что вполне очевидно) и в случае подъема грунтовой воды, т. е. при движении ее вверх.

По достижении грунтовыми водами критического уровня (критической глубины залегания) создается возможность интенсивного расходования их на испарение и транспирацию. Если водный баланс складывается таким образом, что эта статья расхода преобладает над приходом воды (осадки плюс оросительная вода и подземный приток), то в почве начинается процесс вторичного засоления (С.Ф. Аверьянов, 1965).

Миграция солей в почве совершается благодаря двум основным процессам: диффузии солей и передвижению их вместе с влагой.

Диффузионное перемещение подчиняется общей закономерности выравнивая концентрации, установленной Фиком, которая заключается в том, что количество диффундирующего вещества пропорционально падению концентрации и времени.

Скорость диффузии зависит от растворимости соли, ее концентрации, влажности почвы (В.А. Чернов, 1935, 1939; С.И. Долгов и З.И. Каменева, 1937; Н.А. Комарова, 1937 и др.).

При движении воды в водонасыщенной среде проявляется механизм конвективной диффузии, т. е. молекулярной диффузии в потоке жидкости (Н.Н. Веригин, 1953; А.Е. Орадовская, 1957 и др.), величина которой хотя и мала, но имеет существенное значение в определенных условиях (С.Ф. Аверьянов, 1965).

Передвижение солей вместе с водой (пассивное – по терминологии В.Р. Волобуева, 1941) может быть в зависимости от форм влаги различным: молекулярным, капиллярным, гравитационным. От форм влаги зависит и скорость передвижения солей: она будет небольшой в случае пленочного передвижения и большой в остальных случаях.

Вторичное засоление почв развивается по этапам (фазам), стадийно, что получает отражение в распределении его как во времени, так и в пространстве (В.А. Ковда, 1946;

А.Н. Розанов, 1946; В.В. Егоров, 1959).

Таким образом, вторичное засоление почв – явление многоплановое, включающее разные процессы: гидродинамические, физико-химические, физические и другие, которые, однако, имеют в данном случае комплексный характер. В природной обстановке происходит своеобразное наложение названных выше процессов друг на друга, поэтому трудно вычленить роль и значение каждого из них в отдельности. Отсутствие в настоящее время четких данных по количественным характеристикам расчлененной совокупности факторов (процессов), обусловливающих вторичное засоление почв, вынуждает исследователей прибегать к изучению каждого из них в отдельности, применяя для этого самые разнообразные методы.

Выше мы отмечали, что гидрогеологическое и солевое прогнозирование может быть осуществлено на базе целого ряда методов, каждый из которых имеет свойственные лишь ему особенности и свои целевые сферы применения.

При прогнозировании вторичного засоления почв одним из эффективных путей является использование метода физического моделирования отдельных процессов, протекающих в «тройственной» системе «почво-грунт – грунтовая вода – оросительная вода».

Для такого прогнозирования можно прибегнуть и к сочетанию данного метода с другими, например, с аналитическим.

Перечислим теперь узловые вопросы, которые, исходя из изложенных выше основных положений теории вторичного засоления почв, должны, по нашему мнению, решаться при прогнозировании последнего.

1. Определение степени естественной дренированности территории для предварительной оценки возможности появления вторичного засоления. Если будет установлено, что естественная дренированность слабая, то этим уже будет доказана правомерность дальнейших исследований по прогнозированию изменений почвенно-мелиоративной обстановки под влиянием орошения. Исходя из сложности процессов, которые вызывают вторичное засоление, и специфичности некоторых из них, прогнозирование должно быть разделено на два этапа: а) гидрогеологический прогноз, б) почвенно-солевой прогноз.

2. Разработка гидрогеологического прогноза, целью которого является показ возможного изменения уровня грунтовых вод под влиянием орошения. При этом должны учитываться природно-климатические условия, будущая агротехника, поливной режим и особенности выращивания тех сельскохозяйственных культур, которыми будет занят ирригационный массив, а также исходная глубина грунтовых вод. По нашему мнению, эта часть исследований должна выполняться специалистами, владеющими современными методами гидрогеологического прогнозирования – аналитическими, моделированием и другими, в частности гидрогеологами, гидравликами, математиками.

3. Разработка почвенно-солевого прогноза, задача которого сводится к выявлению возможных изменений в минерализации и составе грунтовых вод и степени засоленности почв под влиянием ожидаемого изменения уровня грунтовых вод и водного баланса орошаемого поля. Для составления прогноза солевого режима тем или иным методом потребуется решение нижеследующих вопросов:

а) определение степени исходной засоленности почвогрунтов во всей зоне аэрации (или до регионального водоупора, а при наличии связи между отдельными слоями подземных вод и засоленности более глубоких слоев пород – наличие солей и в них); получение данных о водно-физических свойствах почвогрунтов, необходимых для последующих расчетов;

б) определение минерализации исходных (природных) грунтовых вод и прогноз ее изменения под влиянием орошения должно составлять одну из центральных задач солевого прогноза;

в) изучение водного баланса и его составляющих, в частности расхода грунтовых вод для испарения в данной почвенноклиматической зоне, как фактора, активно способствующего возможному вторичному засолению;

г) установление скорости капиллярного передвижения солей в почво-грунтах, как наиболее важного механизма вторичного засоления, является необходимым элементом исследования.

Наряду с этим должен изучаться также диффузионный путь миграции солей (коэффициент конвективной диффузии);

д) определение критической глубины залегания (критический уровень) и критической минерализации грунтовых вод обязательно для каких-то заранее оговоренных условий (богара, орошение, с непременным учетом водно-солевого режима);

е) расчет количества солей, которые смогут накопиться в почве при вторичном засолении или опреснении и их распределение в почве – центральный этап прогнозирования;

ж) составление карт прогноза. Совокупность материалов, полученных в ходе выполнения перечисленных выше комплексных научно-исследовательских работ, позволяет составить карты прогноза вторичного засоления, на которых показывают участки, где оно возможно при определенных условиях водного баланса.

Для решения перечисленных здесь вопросов применительно к условиям степного Крыма и Днепровской террасоводельтовой равнины нами были применены различные методы:

физическое моделирование (прогноз минерализации грунтовых вод, определение скорости капиллярного передвижения растворов и др.), полевые наблюдения (определение критической глубины грунтовых вод, влияние засоленности почво-грунтов и грунтовых вод, отбор проб для моделирования, определение коэффициента конвективной диффузии и др.), аналитические (прогноз распределения солей в почвах по методу С.Ф. Аверьянова и др.).

Ниже излагаются методические проработки автора по научному обоснованию метода прогноза минерализации грунтовых вод и солевого прогноза почв, а затем освещаются результаты исследований по названным выше вопросам в степном Крыму и на юге Днепровской террасово-дельтовой равнины.

Прогноз минерализации грунтовых вод методами физического моделирования и расчетным Первыми в нашей стране действие воды на соли, заключенные в почве, изучали С.А. Захаров и К.К. Гедройц.

С. А. Захаров (1905,) установил влияние времени взаимодействия почвы с водой на переход солей в раствор.

К.К. Гедройц (1955) показал, что при действии воды на почву происходят следующие процессы: растворение простых солей, растворение гумусовых и кремнекислых соединений, разложение сложных солей и гидролизующее действие воды на соли.

Влияние разных объемов растворителя сказывалось по-разному в зависимости от состава солей в почве.

На основании работ С.А. Захарова и К.К. Гедройца в почвоведении до сих пор применяется разработанный ими метод извлечения солей водной вытяжкой при соотношении твердой и жидкой фаз как 1 : 5.

В связи с освоением засоленных почв ставилось много опытов с промывкой солей пресной водой – на монолитах, в колонках с насыпным грунтом и т. д. В то же время влияние солевых растворов на выщелачивание солей из почвы специально не исследовалось. Этот вопрос освещался лишь частично в ходе опытов с промывкой солей пресной водой. Так, В.В. Спенглер (1950) выясняла причины различной интенсивности выщелачивания солей при промывках водой из отдельных горизонтов засоленных почв, помещенных в латунные цилиндры. Цилиндры были установлены один над другим таким образом, чтобы фильтрат из первого цилиндра поступал во второй, из второго в третий и т. д. Фильтраты из каждого цилиндра подвергались анализу. В.В. Спенглер удалось установить, что при насыщении почвы водой до предельной влагоемкости происходит не только растворение солей, но и перемещение их вниз. По мере передвижения воды из верхних горизонтов почвы к нижним возрастает ее минерализация. Чем выше минерализация воды, поступающей из вышележащих слоев, тем меньше солей она вымывает из последующих.

Аналогичный опыт провел А.И. Силин-Бекчурин (1960).

Небольшие монолиты, обточенные в виде цилиндра, помещались в стеклянные трубки с оттянутым нижним концом в виде воронки. Первый монолит промывали пресной водой, последующие – фильтратами из вышележащих монолитов. Оказалось, что минерализация фильтратов увеличивалась и менялся химический состав. Растворы превращались из сульфатно-натриевых в хлоридно-сульфатные.

Убедительный эксперимент, показывающий значение минерализации на выщелачивание солей при промывке пресной водой, поставил П. С. Панин (1968). Он промывал два монолита:

один представлял собой полный почвенный профиль (0–100 см), второй лишь нижнюю часть (80—100 см) такой же почвы. После промывки сравнивались слои на глубине 80–100 см. В первом монолите пресная вода пока доходила до глубины 80 см становилась высокоминерализованной, во втором, где верхняя толща почвы отсутствовала, на слой 80–100 см действовали также пресной водой. В результате оказалось, что из слоя 80– 100 см первого монолита вымылось в 10 раз меньше солей, чем из такого же слоя второго монолита.

На основании этих опытов было установлено, во-первых, что по мере продвижения воды в грунте минерализация ее увеличивается, во-вторых, что минерализованная вода вымывает меньше солей по сравнению с пресной.

Однако эти опыты не давали представления о том, как конкретно влияет различная концентрация грунтовых вод на переход солей из почво-грунтов, тем более для объектов, в которых нами велись исследования (юг Украины). Поэтому возникла необходимость в постановке специальных лабораторных опытов. Но прежде всего возникла задача определить, каковы запасы (резервы) солей в типичных по засолению лессовых грунтах и в какой мере показания водной вытяжки при соотношении навески и воды как 1 : 5 отвечают истинным запасам солей.

В качестве объекта исследования была взята широко распространенная в Причерноморской впадине почво-образующая порода – лессовидная глина из Крымского Присивашья (совхоз «Воинский» Красноперекопского района). Из большого объема этой породы отобрано 10 смешанных проб каждая весом в 50 г.

Навески были помещены в конические колбы и после добавления 250 мл дистиллированной воды (соотношение навески к воде 1 :

5) закрывали пробками, встряхивали в течение трех минут и оставляли на сутки или более продолжительное время, необходимое для полного осветления раствора. Затем из каждой колбы с помощью специально изготовленного сифона прозрачный раствор сливали в мерный цилиндр, переносили в новую колбу и подвергали анализам. Каждый раз сливали одинаковый объем – 150 мл, а 100 мл оставляли в колбе ввиду необходимости сохранить над осадком слой жидкости для предотвращения взмучивания. В каждой отобранной пробе определяли сухой остаток и через определенные интервалы выщелачивания – солевой состав.

Длительность выщелачивания составила 130 дней (с 30.

III по 8. VIII – 1967). За это время было слито 26 последовательных декантационных вытяжек. Полученные данные о количестве вынесенных солей обработаны методом математической статистики (А.В. Новикова, 1969).

Лессовидная глина, взятая для анализа, содержала в исходном состоянии СаС0 3 6,78%, СаSO 4 1,37% и водорастворимых солей 1,097%, определенных в водной вытяжке. В составе солей на сернокислый натрий приходилось 31%, на сернокислый магний –23,27%, на сернокислый кальций – 31,48% и на хлористый натрий 10,33%. В связи с тем, что после каждого сливания часть раствора в колбах сохраняли, то выщелачивание солей проходило замедленно.

В целом для удаления хлоридов и сульфатов, в том числе гипса, потребовалось 20 декантационных вытяжек. Объем поданной воды составил 6 л, общий объем до конца опыта – 8 л.

Чтобы убедиться в полноте отмывания сульфатов из образцов глины, в ней по окончании выщелачивания было определено содержание гипса и карбонатов. Как оказалось, в остатке глины сохранилось 0,01 г гипса и 6,19 г карбонатов в пересчете на г исходного грунта.

Подсчет баланса солей показывает хорошую сходимость между исходным количеством солей, с одной стороны, и количеством солей, вымытых и оставшихся после отмывания, с другой.

Так, в исходном образце содержалось (в г на 100 г навески): легкорастворимых солей 1,1, гипса 1,37, карбонатов 6,78 – всего 9,25. Во время декантации вымылось 3,04 и сохранилось в остатке 6,10, что дает в сумме 9,24. Разница между суммой солей в первом и во втором случаях находится в пределах ошибки анализа; следовательно, результаты опыта не вызывают сомнений.

Установив таким образом возможные размеры перехода солей из засоленного грунта в пресную воду при последовательном выщелачивании солей и по данным водной вытяжки, мы далее задались целью определить, как влияют на переход солей из почво-грунта в раствор различные концентрации и объем растворителя.

Вопрос о влиянии объема растворителя (минерализованного раствора) на выщелачивание солей из почво-грунта возник в связи со следующими представлениями о механизме взаимодействия грунтовых вод с твердой частью (породой и почвой).

Грунтовые воды поднимаются в толще зоны аэрации. Происходит растворение части солей, заключенных в грунтах; кроме того, в условиях поднятия грунтовых вод возникают обменнопоглотительные реакции между катионами жидкой фазы и коллоидной частью грунта. При этом переход солей из грунта в грунтовые воды (и повышение их минерализации) совершается Такое содержание водорастворимых солей характерно для пород Присивашья (район IV) при 75%-ном уровне обеспеченности, поэтому взятые образцы можно считать типичными.

не беспредельно, а ограничивается их растворимостью и рядом факторов, влияющих на растворимость.

Для моделирования подъема грунтовых вод и процессов, протекающих при этом, предстояло имитировать этот природный процесс. Самым естественным приемом было моделирование в монолитах с ненарушенным сложением почво-грунтов и подачей в монолиты грунтовых вод. Так и было сделано на первом этапе работ. Однако оказалось, что такое моделирование является трудоемким, требует много времени и больших физических усилий. Тогда автор перешел к физическому моделированию с образцами, предварительно растертыми и пропущенными через сито с диаметром отверстий 1 мм. Преимущество такого моделирования состояло в возможности применять смешанные из нескольких повторностей образцы (с заранее выбранной степенью точности), а кроме того, оказалось и более быстрым.

Для того, чтобы иметь представление о том, в каких соотношениях твердой и жидкой фаз необходимо вести опыт, надо было проанализировать (расчетным путем), какие соотношения бывают в почве (в условной призме почвы) при заполнении ее пор водой снизу, что совершается в природе при подъеме уровня грунтовых вод.

Соотношение между твердой и жидкой фазами при заполнении водой условной призмы почвы Представим, что уровень грунтовых вод поднимется на высоту 1 м и заполнит призму грунта объемом в 1 м3. При порозности грунта, равной, допустим, 0,4, объем воды в призме размером 1 Ѕ Ѕ 1 м составит 0,4 м3, или 400 л. Когда грунтовая вода начнет заполнять поры в грунте снизу вверх, то через каждый десятисантиметровый слой пройдет неодинаковое количество ее порций в виде величин полной влагоемкости. Примем для удобства, что полная влагоемкость во всех слоях одинаковая и для слоя 10 см составляет 40 л. При объемном весе 1,5 вес каждого слоя грунта равен 150 кг.

Как видно из таблицы 6, через самый нижний слой пройдет 10 величин полной влагоемкости, через вышележащий – 9 и так далее, а через самый верхний – только одна величина.

В рассматриваемом случае соотношение твердой и жидкой фаз будет изменяться по слоям от 1 : 2,6, в самом нижнем слое до 1:0,26, в самом верхнем (в среднем для толщи оно будет равно 1 :

1,45 или при значительном округлении 1:2).

Таким образом, соотношение между твердой и жидкой фазами при взаимодействии грунта и воды в образцах с нарушенным сложением должно находиться в пределах (с округлением) 1 : 3–1 :

0,3, а в среднем –1 : 2 в первый год подъема грунтовых вод. Если же иметь в виду более долгосрочный прогноз, например на пять лет, то суммарные объемы жидкой фазы соответственно возрастут и указанное соотношение для нижнего образца составит 1 : 13, для верхнего – 1 : 1,3.

6. Соотношение между твердой и жидкой фазами в элементарных (10-сантиметровых) слоях метровой призмы грунта при подъеме грунтовых вод на один метр (полная влагоемкость каждого 10-сантиметрового слоя равна 40 л, а вес его твердой фазы –150кг) слоев (мощность каждого из них можно увязать со скоростью подъема грунтовых вод в какую-то данную единицу времени), пронумеровав их сверху вниз, обозначив порядковый номер каждого слоя индексом і х, зная пористость (m) и объемный вес (d), можно определить соотношение твердой (р) и жидкой (И) фаз в каждом слое по формуле:

В рассматриваемом примере, где верхний слой і х = 1, а последний і х = 10, получим следующее соотношение между твердой и жидкой (прошедшей через расчетный слой) фазами грунта:

что и показано в таблице 6.

Таким путем можно установить соотношение между твердой и жидкой (прошедшей через расчетный слой) фазами по каждому слою грунта, сквозь который будет подниматься грунтовая вода, что необходимо для физического моделирования процесса подъема грунтовых вод, когда применяется метод последовательных солевых вытяжек с образцами нарушенного сложения.

Влияние различных объемов и концентраций растворов на переход солей из почво-грунта в раствор Задача опыта состояла в том, чтобы определить изменения конечной концентрации солей в растворе в зависимости от изменений исходных объема и концентрации. В качестве объектов исследования были взяты искусственно приготовленные растворы солей, аналогичные по составу грунтовым водам Присивашья, дистиллированная вода, а также образец лессовидной глины, аналог которой был использован в опыте, рассмотренном нами выше; исходный солевой состав глины и растворов, взятых для опыта, приведен в таблице 7.

7. Исходный солевой состав лессовидной глины Примечание. В числителе для лессовидной глины – в г на 100 г навески, в знаменателе – мг-экв; для растворов — в числителе в г/л, в знаменателе – в мг-экв.

К навескам глины добавляли приготовленные растворы в количестве, при котором сохранялось соотношение твердой и жидкой фаз (в расчете на сухое вещество), как 1 : 1, 1 : 3, 1 : 5, 1 : 10, 1 :

20 и 1 : 50. Суспензии в течение 3 мин. взбалтывали, затем отстаивали в течение суток, фильтровали и анализировали. Опыт вели в пятикратной повторности. Конечная концентрация опытных растворов представлена в таблице 8.

Как и следовало ожидать, на растворимость солей и, следовательно, на изменение концентрации раствора в значительной мере влияет исходная концентрация последнего. Чем она слабее, тем в большей мере выражена способность раствора насыщаться солями из почво-грунта и тем резче в общем меняется его концентрация после соприкосновения с грунтом.

Например, при соотношении между твердой и жидкой фазами 1 :

1 в дистиллированную воду перешло 6,81 г солей, а в раствор, исходная концентрация которого составляла 15,57 г/л, — только 3,5 г.

С возрастанием объемов раствора его солевая насыщенность или концентрация, уменьшается, но не строго пропорционально количеству новых, добавляемых объемов раствора.

Связь между исследуемыми показателями носит более сложный характер, что объясняется тем, что в составе грунтов имеем смесь солей, состоящую не только из легкорастворимых, но и из средне- и труднорастворимых солей. Наличие одних лишь легкорастворнмых солей, которые переходили бы в раствор сразу при первом объеме, обусловило бы снижение концентрации строго пропорционально увеличению количества добавленной воды, т. е. в этом случае имела бы место функциональная зависимость.

8. Изменение концентрации растворов при твердой и жидкой фаз и Таким образом, присутствие в составе почво-грунтов солей разной степени растворимости вызывает постепенное уменьшение концентрации раствора, что и наблюдалось в данном опыте. В дальнейшем с помощью корреляционного и регрессионного анализов удалось установить характер зависимости между объемом раствора и его концентрацией. Для этого отдельно по каждому из растворов, приготовленных и использованных в опыте, были составлены выборки (общее число их равно 30). Анализировали зависимость конечной концентрации от объема растворителя.

Во всех солевых растворах (а также дистиллированной воде) связь между объемами жидкости и повышением минерализации оказалась прямой линейной и существенной. Коэффициенты корреляции были равны 0,69 ј 0,71 ± 0,13 при вероятности 0,99.

В каждом из трех рассмотренных случаев уравнения регрессии несколько отличались.

Для случая с дистиллированной водой уравнение имело вид:

для раствора с исходной концентрацией 3,5 г/л для раствора с исходной концентрацией 15,57 г/л где у – конечная концентрация раствора после взаимодействия с грунтом, содержащим 1,11% солей; х – объем раствора, который изменялся в пределах от 100 до 5000 мл при навеске сухого грунта 100 г.

Из приведенных уравнений вытекает, что с увеличением объема раствора конечная концентрация его уменьшается, причем последнее более значительно выражено для относительно пресных растворов, а менее значительно для растворов минерализованных.

Учитывая, что среди исходных растворов два (с концентрацией 3,5 и 15,6 г/л) имели близкое соотношение ионов Сl к SO (равное примерно 3–5), мы провели корреляционный анализ, исследовав характер изменения конечной концентрации раствора при разных уровнях исходной концентрации его.

Для этого в выборку относили исходную и конечную концентрации только для какого-то одного соотношения твердой и жидкой фаз. Исследовались результаты с дистиллированной водой и растворами, исходная концентрация солей в которых составляла 3,5 и 15,6 г/л.

Связь признаков оказалась очень тесной, коэффициенты корреляции вплотную приближались к 1 (0,999). Были найдены уравнения регрессии, решение которых позволило получить целый ряд данных об изменении конечной концентрации растворов в зависимости от исходной и построить график (рис. 5). Им можно пользоваться в практических целях для определения изменения конечной концентрации в зависимости от величины соотношения твердой и жидкой фаз суспензии.

Предположим, что была сделана солевая вытяжка из грунта при одном каком-то соотношении твердой и жидкой части (например, 1 : 5) и получена определенная конечная концентрация раствора (например, 5 г/л). Теперь, допустим, необходимо узнать, как эта величина изменится, если соотношение будет иным (например, 1 : 1). Для этого на оси ординат графика находим цифру 5 и проводим горизонтальную линию (параллельно оси абцисс) до пересечения с линией, соответствующей соотношению 1 : 5. Затем от места пересечения линий возводим перпендикуляр до пересечения с другой линией, соответствующей соотношению 1 : 1. От места пересечения проводим влево к оси ординат линию и снимаем показания конечной концентрации.

Следует подчеркнуть, что графиком можно пользоваться для случая, в котором проведен эксперимент, т. е. когда почвогрунт имеет сульфатный состав солей, а грунтовые воды (с минерализацией не выше 15,64 г/л) содержат в основном хлориды и сульфаты с соотношением первых ко вторым, равным 3–5.

Рис. 5. График зависимости конечной концентрации растворов от исходной их концентрации при различном отношении твердой и жидкой фаз в водной суспензии. Составила А.В. Новикова. Отношение твердой фазы к жидкой в водной суспензии: 1 — Следовательно, для прогнозирования минерализации грунтовых вод можно прибегать к физическому моделированию, используя при этом смешанные растертые образцы, которые обрабатывают искусственно приготовленным солевым раствором, аналогичным по составу природным грунтовым водам в изучаемом районе. Соотношение между твердой и жидкой фазами раствора должно устанавливаться заранее, как указано в предыдущем параграфе. Если же возникает необходимость внести поправку на соотношение твердой и жидкой фаз, тогда можно воспользоваться графиком (рис. 6).

Для взаимодействия раствора и почво-грунта (исходя из данных С. А. Захарова) может быть достаточно суток при наличии большого количества сульфатов, а при хлоридном засолении достаточно 3–5 мин.

Ход работ при физическом моделировании прогнозирования конечной минерализации грунтовых вод (С к ) и основные этапы его таковы. Из нескольких параллельных скважин, расположенных на объекте, для которого составляют прогноз, отбирают образцы почво-грунта на определенной ключевой площадке (размером 2–10 га) на всю глубину зоны аэрации. Эти образцы извлекают в нескольких повторностях, количество которых нужно заранее определить с учетом того, что доверительная вероятность должна приниматься не менее 70–80%. Образцы почвенного вида смешивают по-горизонтно в один образец. Готовят искусственный солевой раствор, состав которого аналогичен солевому раствору грунтовых вод этой ключевой площадки (или берут природную грунтовую воду этой площадки). Делают предварительный расчет необходимых навесок и объемов раствора таким образом, чтобы при обработке сохранять заранее выбранное соотношение между ними.

Затем производят последовательные солевые вытяжки:

вначале исходным раствором обрабатывают навеску образца, взятого с самой нижней части зоны аэрации, после чего полученным фильтратом обрабатывают образец грунта из расположенной выше части – и так до глубины, соответствующей критическому уровню грунтовых вод. Конечная минерализация и явится прогнозируемой величиной минерализации грунтовых вод (Ск).

Математическая модель физического моделирования прогноза минерализации грунтовых вод Пользуясь предложенным методом физического моделирования, изложенным выше, мы путем последовательных солевых вытяжек получили величины прогнозируемой минерализации грунтовых вод (Ск) для различных ключевых участков, находящихся в зоне Северо-Крымского канала. В дальнейшем эти данные использовались для прогноза вторичного засоления почв.

При физическом моделировании, помимо конечного солевого состава растворов, соответствующих грунтовым водам, условно залегающим на глубине 2 м от поверхности земли, были проанализированы также исходные смешанные образцы промежуточной части толщи пород, а также соответствующие составы растворов, которые получены после взаимодействия образцов пород с растворами. Таким образом создалась возможность проследить за изменением концентрации растворов в процессе вертикального движения по профилю грунта.

Оказалось, что по мере последовательной обработки образцов почво-грунтов концентрация растворов постепенно возрастала и, например, по одному ключевому участку достигала максимума (20,28 г/л) после обработки наиболее засоленного образца, взятого с глубины 60–100 см и содержащего 1,511% солей. Но затем в ходе дальнейшего контактирования с незасоленным горизонтом (0,27%) концентрация последующего фильтрата несколько снизилась (19,70 г/л), а после взаимодействия с почвой из совсем опресненного горизонта, расположенного на глубине 0–20 см (0,06%), концентрация последнего фильтрата еще уменьшилась (19,02 г/л). Если увеличение концентрации модельного солевого раствора объясняется весьма просто – растворением части солей, то опреснение, вероятно, можно объяснить механическим поглощением солей, удерживаемых водной пленкой вокруг частиц ранее сухой почвы.

Нарастание концентрации растворов по мере обработки засоленных горизонтов свидетельствовало о существовании связи между степенью засоления грунта, исходной и конечной концентрациями растворов. Чтобы выяснить характер математической связи между названными показателями, был проведен множественный корреляционный, а затем и регрессионный анализы данных последовательных солевых вытяжек для различных почво-грунтов, имеющих засоленность от 0,1 до 2,5% и исходные концентрации растворов в интервале от 4 до 22 г/л.

Засоленность почво-грунтов и растворов колебалась от хлоридно-сульфатной до сульфатно-хлоридной.

В выборку вошли материалы 33 опытов, содержащих данные об исходной засоленности образца почво-грунта, исходной и конечной (после обработки почво-грунта) концентрации раствора.

Оказалось, что между исходной и конечной концентрациями растворов существует очень тесная прямая линейная связь.

Частный коэффициент корреляции равен 0,997 ± 0,03 при вероятности 0,99. Между исходным засолением почво-грунта (сумма водорастворимых солей) и конечной концентрацией раствора корреляционная прямая линейная связь также существует, но она является средней. Частный коэффициент корреляции в этом случае равен 0,51 ± 0,14 при вероятности 0,99. Более ослабленная связь между последними признаками объясняется тем, что из почво-грунта в раствор переходят не все соли, а только часть их.

Поскольку между рассматриваемыми признаками связь оказалась существенной, то стало возможным получить уравнение регрессии, которое имеет вид:

где у – конечная концентрация раствора, г/л;

х 1 – исходное содержание солей в почво-грунте, %;

х 2 – исходная концентрация раствора, г/л.

По данному уравнению можно определить прогнозируемую минерализацию (не прибегая к физическому моделированию) для условий, когда величины х 1 находятся в пределах от 0,1 до 2,5%, а х 2 – от 4 до 22 г/л.

Учет влияния инфильтрующихся поливных вод на прогнозируемую минерализацию На орошаемых участках при каждом поливе часть ирригационной воды не используется растениями, она постепенно передвигается в почве вглубь зоны аэрации (С. Ф. Аверьянов, 1965).

Поскольку почво-грунты зоны аэрации содержат большее или меньшее количество солей, то стекающая вода будет выщелачивать эти соли и, дойдя до уровня грунтовых вод, обусловит увеличение запаса солей в них. При избыточных поливах процесс инфильтрации усиливается.

О возможных размерах изменения солевой концентрации растворов, образующихся при медленном (инфильтрационном) просачивании сверху, можно судить по данным нашего опыта с медленной промывкой монолитов почво-грунта из Крымского Присивашья (А.В. Новикова, 1968).

В этом опыте средневзвешенное содержание солей в первом монолите (верхняя часть темно-каштановой слабосолонцеватой почвы) составляло 0,35%, во втором монолите (нижняя часть этой почвы) – 1,03%, в третьем (почвообразующая порода) – 1,22%. Дистиллированную воду подавали на поверхность первого монолита, а затем образующийся фильтрат поступал на поверхность второго монолита, а фильтрат из него – в третий монолит. Воду подавали медленно, каплями.

9. Концентрация инфильтрующихся вод и вынос солей * В числителе – в г/л; в знаменателе – в процентах к исходному содержанию в монолитах.

В таблице 9 представлены значения концентрации инфильтратов для объемов 4,3 л, соответствующих величине м3/га, принятой в одной из проектных проработок «Укргипроводхоза» как величину ежегодной инфильтрации оросительной воды.

При анализе материалов, представленных в таблице 9, обращают на себя внимание два обстоятельства. Одно из них заключается в том, что самое сильное увеличение концентрации раствора происходит при первом соприкосновении воды с почво-грунтом.

Объясняется это прежде всего тем, что в первую порцию отжимаются почвенные растворы, а также тем, что в нее переходят легко растворимые соли. Второе обстоятельство – это медленный характер выщелачивания солей из почво-грунтов при отсутствии гидростатического напора и малой скорости движения воды. Даже с десятой порцией после прохождения сквозь монолит 14482 м3/га воды в раствор перешло все еще 0,54 г/л, что составляло 1,73% от исходного запаса солей в метровом монолите. Медленное удаление оставшегося малого количества солей отмечалось также Л.П.

Розовым (1936), В.Р. Волобуевым (1940), П.С.Паниным (1968) и др.

В целом же сильное засоление инфильтрующихся вод можно ожидать лишь в первые годы орошения, в последующем они должны постепенно опресняться по мере выщелачивания солей из пород и в ряде случаев их минерализацией можно пренебрегать, считая инфильтраты пресными.

Определение осолоненности образующихся инфильтратов можно произвести с помощью последовательных солевых вытяжек. В этом случае первой исходной порцией жидкости должна служить оросительная (или дистиллированная) вода, а обрабатывать надо начиная с образцов, взятых с верхних слоев, и кончая образцами из нижних слоев, где ожидается образование уровня грунтовых вод. Полученная минерализация инфильтрата (Си) и принимается в дальнейшем в расчет. Такой способ оценки возможного осолонения оросительных вод был применен М. Ф. Будановым (1958).

Чтобы учесть, как изменится прогнозируемая конечная минерализация грунтовых вод (Сn) в зависимости от степени осолонения инфильтратов (Си), необходимо знать долю участия инфильтрационных и грунтовых вод в подъеме уровня последних.

Эту зависимость можно выразить следующим уравнением:

где С n – прогнозируемая минерализация грунтовых вод с учетом влияния минерализации инфильтрационных вод, г/л;

С к – прогнозируемая минерализация грунтовых вод, полученная путем последовательных солевых вытяжек, г/л;

С и – минерализация инфильтрационных вод, полученная путем последовательной обработки почвы пресной водой, г/л;

– доля участия бытовых грунтовых вод в подъеме их уровня;

(1 – ) – доля участия инфильтрационных вод в подъеме грунтовых вод.

Очевидно, в том случае, когда инфильтрационные воды будут пресными, первый член правой части уравнения (6) будет равен 0 и тогда Если же подъем грунтовых вод полностью будет идти за счет самих грунтовых вод, то Таким образом, выше были рассмотрены способы прогнозирования минерализации грунтовых вод для случая, когда территория является бессточной и в результате потерь воды из каналов и с полей происходит подъем грунтовых вод, а вместе с тем меняется их минерализация. Показан и путь учета влияния инфильтрующихся вод на изменение минерализации грунтовых вод.

В специальной литературе имеются данные о влиянии скорости оттока грунтовых вод на их минерализацию. Так, Е.И. Здобнов (1959), Г.Ю. Исрафаилов, Е.И. Здобнов и И.Г.

Алиев (1961) установили, что минерализация грунтовых вод есть функция скорости потока и глубины залегания его от поверхности земли. Большое значение скорости оттока придает Э.А. Соколенко (1966), который вводит представление о критической скорости бокового движения грунтовых вод, как критерии засоленности почв.

Гидрогеологические материалы по Крыму свидетельствуют о том, что в Присивашье отток грунтовых вод практически отсутствует. Это подтвердилось и нашими проработками при определении степени естественной дренированности территории. Значительная часть Присивашья по условиям скорости движения грунтовых вод относится к бессточной области. По существу это уже не поток грунтовых вод, а их бассейн.

Одна из причин высокой минерализации грунтовых вод Крымского Присивашья как раз и заключается в малой их подвижности. А в этом случае скорость их движения не может сильно сказываться на изменениях минерализации. В этом можно убедиться на основании множественного корреляционного анализа данных о минерализации, глубине и скорости движения грунтовых вод. Был взят ряд точек, по которым имелись данные относительно глубины и минерализации грунтовых вод до орошения. По карте гидроизогипс определен уклон грунтовых вод, а затем с учетом коэффициента фильтрации пород определена скорость движения грунтовых вод. Была составлена выборка (п = 96), в которую вошли данные по грунтовым водам со следующей общей характеристикой: глубина залегания (уровень) 0,6– м; минерализация 5–34 г/л; скорость движения 0,02–4 м в сутки.

Анализ показал, что в данном районе между минерализацией и скоростью движения грунтовых вод существует обратная линейная зависимость при средней тесноте связи между исследуемыми показателями. Коэффициент частной корреляции r ± т r равен 0,50 ± 0,09. Он статистически достоверен с вероятностью 0,99.

Между минерализацией и глубиной залегания грунтовых вод существует также обратная зависимость (r ± т r = – 0,49 ± 0,09) при вероятности 0,99.

Связь этих трех признаков (r = – 0,69 ± 0,07) для Крымского Присивашья выражается уравнением где у – минерализация грунтовых вод (от 5 до 34 г/л);

х 1 – скорость оттока грунтовых вод (0,02—0,4 м в сутки);

х 2 – глубина залегания грунтовых вод (0,6—13 м).

Указанная связь установлена для большей части территории Присивашья, имеющей абсолютные отметки от 1 до 12– м, а потому и большие амплитуды глубин, скорости движения и минерализации грунтовых вод. К тому же здесь учитывались богарные условия.

Что касается орошаемых условий, то по данному вопросу еще необходимо собрать и проанализировать соответствующий материал, характерный для поливного земледелия, который и может быть принят во внимание в дальнейших проработках.

Составляя прогноз минерализации грунтовых вод на первое десятилетие начала орошения, можно, по-видимому, не вносить поправку на скорость движения грунтовых вод, т. е. абстрагироваться от этого показателя. В пределах одного орошаемого участка, где разница в уровнях грунтовых вод невысока, с началом ирригации скорость их перемещения заметно не изменится (кроме приканальной зоны, а при наличии дрен – и на всем участке).

Слабая естественная дренированность территории участка является причиной возрастания минерализации грунтовых вод, что и имеет место в действительности. Это же подтверждается и данными лаборатории фильтрации «Укргипроводхоза», которая путем моделирования в лабораторных условиях установила (А.Д. Петраш и др., 1967), что в первые 10 лет орошения отток воды от орошаемых участков с зерно-кормовыми севооборотами в сторону неорошаемых не будет иметь места.

Следовательно, возможным изменением минерализации грунтовых вод в зависимости от скорости движения их при прогнозировании на первые 10 лет ирригации, по-видимому, можно пренебречь, поскольку скорость их движения в этот период резко не изменится.

Что касается более отдаленного времени, то, несомненно, в прогнозные расчеты нужно будет вносить поправку на возможное изменение скорости движения грунтовых вод, однако для условий юга УССР, вследствие ограниченности опыта орошения и отсутствия необходимых данных, сделать это пока затруднительно.

Расчетный метод прогноза минерализации грунтовых Расчетный метод прогнозирования минерализации грунтовых вод при их подъеме в толще почво-грунта описан С. Ф.

Аверьяновым (1965). Им предложено определять возможное изменение минерализации грунтовых вод путем вычислений, для которых используют полученные с помощью элементарных анализов и несложных расчетов данные по формуле:

Где: С 2 – прогнозируемая минерализация грунтовых вод, г/л;

С 1 – исходная минерализация грунтовых вод, г/л;

S – среднее содержание солей в данном почво-грунте, %;

а – количество солей, переходящих из почво-грунта в грунтовую воду в долях единицы (условно принимается равным 0,5);

– доля участия грунтовых вод в подъеме их уровня;

т – порозность (в долях единицы);

d — объемный вес почво-грунтов, г/см3.

В данной формуле предполагается, что инфильтрующиеся с полей воды являются пресными. В противном случае необходимо учитывать минерализацию инфильтрационных вод и долю их участия в подъеме уровня грунтовых вод, как было показано выше.

Быстрота определения прогнозируемого показателя составляет неоспоримое достоинство этого метода.

Вместе с тем использование приведенной выше формулы встречает определенные трудности, связанные с особенностями солеотдачи, которая при вычислениях условно принимается равной 0,5, т. е. 50%.

Полученные в последние годы данные по солеотдаче (П.С. Панин, 1968) показали большие различия в выносе солей из почв пресной водой. Как оказалось, удельная солеотдача (количество солей, вымываемых за один такт промывки пресной водой, в объеме, равном полевой влагоемкости, выраженное в процентах к исходному запасу их в почве перед каждым тактом промывки) постоянна только для почв, которым присуща стабильность состава солей во времени и в пространстве. Но поскольку в ходе промывок соли выносятся в соответствии с их растворимостью, то состав солей в почве постоянно меняется.

Так, по мере выноса хлоридов из хлоридных солончаков состав солей в них меняется от хлоридного к хлоридно-сульфатному, а затем к сульфатному. Поэтому, по данным П.С. Панина, если для хлоридных солончаков удельная солеотдача в начале промывок составляла 55%, то в последующие четыре промывки она снизилась до 40%. В почвах с хлоридно-сульфатным типом засоления в начале промывок она была равна 32%, а затем падает до 23%. Для почв с содово-сульфатным засолением колебания исследуемого показателя по П.С. Панину составляют 31–13% (табл.10).

Приведенные данные свидетельствуют о необходимости дифференцированного учета солеотдачи почв различного типа засоления. Кроме того, поскольку грунтовые воды в большинстве орошаемых районов отличаются повышенной минерализацией, а способность концентрированных растворов к выщелачиванию солей понижается, что хорошо иллюстрируется вышеприведенными данными, то для прогнозирования необходимо заранее определить солеотдачу из почво-грунтов именно в грунтовые воды или в растворы солей. Лишь в этом случае прогнозирование расчетным путем будет максимально, с наибольшей достоверностью, отражать действительную картину.

Наряду с этим в указанную формулу необходимо ввести поправку на различие в объемах грунтовой воды, воздействующей в разных слоях грунта, по которому она поднимается, т. е.

следует определить одновременные изменения минерализации в толще грунта. Как было показано выше (табл. 6), грунтовые воды, поднимаясь вверх, воздействуют на разные слои породы неодинаковым объемом.

10. Количество солей, вымываемых по отдельным тактам промывок объемами пресной воды, равными полевой Естественно, что общее количество солей, способных перейти из почвы в грунтовую воду (на какой-то определенный период), будет складываться из суммы солей, перешедших из каждого слоя отдельно. Рассмотрим это на примере. Для удобства расчетов примем, что грунтовые воды весьма слабо минерализованы (0,8 г/л), чтобы иметь возможность пользоваться данными о солеотдаче почв, полученными П.С. Паниным 1 (табл. 11).

Допустим, что грунт содержит 1% солей, преимущественно хлоридов и сульфатов, с равномерным распределением их в толще. Выпишем из таблицы 11 относительные величины возможного выноса солей в процентах к исходному содержанию (предпоследняя строчка) в зависимости от величины П. Таблица В рассматриваемом случае правильнее пользоваться величинами солеотдачи при полной, а не полевой влагоемкости.

заканчивается данными для 6 П, в нашем же случае предусматривается 10 П. Предположим, что, начиная с 7 по 10 П, суммарная величина вынесенных солей равна 90%. Теперь рассчитаем абсолютные количества вынесенных солей по каждому слою в отдельности. Эти данные показаны в предпоследней строке таблицы 11. Получим, что в самых нижних слоях в грунтовую воду перейдет 90% солей, а чем выше расположен слой породы, тем меньше солей он отдает, так как все меньшее взаимодействие грунта с водой. Средневзвешенное количество вынесенных солей составило 0,757 г на 100 г грунта. Если же не учитывать воздействие различных объемов воды и принять величину солеотдачи в 50%, что в долях единицы составляет 0,5, то количество вынесенных солей будет равно всего 0,5 г на 100 г грунта.

Следовательно, точность расчетов повысится, если принять во внимание изменения солеотдачи в зависимости от объемов грунтовой воды, которые прошли сквозь данный слой почвы или породы.

11. Общее количество солей, вымываемых грунтовыми водами из слоев почво-грунта – с учетом объемов воды и удельной солеотдачи (исходное содержание солей равно 1 г в 100 г грунта) Если принять, что доля участия грунтовых вод в их подъеме (а) равна единице, минерализация их равна 0,8 г/л, объемный вес грунта 1,5, порозность 0,4, средняя величина солеотдачи равна 0,5, то в данном примере прогнозируемая минерализация будет следующей:

А если взять средневзвешенную величину солеотдачи, равную 0,757, то прогнозируемая минерализация значительно увеличится:

Разница, как видим, весьма значительная.

Из сказанного следует, что предложенный С.Ф. Аверьяновым метод расчета прогнозируемой минерализации грунтовых вод подлежит некоторому уточнению в свете приведенных выше замечаний. Если при этом учесть, что, кроме различной солеотдачи, каждый слой грунта будет содержать еще и различное количество солей, при условии, что объемный вес и порозность во всей исследуемой толще грунта останутся постоянными, то формула примет следующий вид:

где С 2 – прогнозируемая минерализация грунтовых вод, г/л;

С 1 – исходная минерализация грунтовых вод, г/л;

а 1, а 2 …суммарная солеотдача для каждого слоя с учетом профильтровавшейся воды (в долях единицы);

S 1, S 2 – исходное содержание солей в грунте, %;

n – количество расчетных слоев породы;

– доля участия грунтовых вод в подъеме их уровня;

т – порозность;

d – объемный вес почво-грунтов, г/см3.

Таким образом, при пользовании расчетным методом прогнозирования минерализации грунтовых вод необходимо:

предварительно определить удельную солеотдачу в грунтовую воду (на величину полной влагоемкости) для характерных почвогрунтов в различные по составу грунтовые воды района орошения; вычислить суммарное вымывание солей в зависимости от объема фильтрата в процентах к исходному содержанию; условно подразделить толщу грунта, в котором должна подняться грунтовая вода, на элементарные слои; установить исходное содержание солей в этих слоях, вычислить вынос солей как в отдельности по слоям, так и в целом для всей толщи и определить прогнозируемую степень минерализации, воспользовавшись для этого приведенной выше формулой, в которую подставляют соответствующие значения.

Методы определения степени накопления солей Располагая данными о величинах расхода грунтовых вод на испарение (по лизиметрическим данным) и об ожидаемой (прогнозной) их минерализации, можно определить вероятное накопление солей в почве на основе балансовых расчетов.

Исходя из уравнений солевого баланса, предложенных В.

А. Ковдой (1946), Д. М. Кацем (1969), солевой баланс почвенного слоя, где солеобмен протекает наиболее интенсивно, может быть выражен следующим равенством:

где S к – конечный запас солей в почве;

S н – начальный запас солей в почве;

S – разность солевых запасов;

S ор – поступление солей с оросительной водой;

S гр – поступление солей в почву из грунтовых вод при физическом испарении и транспирации последних;

S сб – вынос солей со сбросными оросительными водами;

S ур – вынос солей с урожаем растений;

S инф – вынос солей из почвы в грунтовые воды при инфильтрации влаги.

Поскольку вторичное засоление происходит благодаря тому, что расход грунтовых вод на испарение и транспирацию превышает поступление влаги с оросительной водой и осадками, то определение возможного накопления солей в почве следует вести в расчете на вегетационный период – на конец его или отдельные его отрезки.

Однако для представления о динамике солевых запасов в многолетнем плане считаем необходимым производить дополнительные расчеты отдельно для холодного влажного периода года, когда расход влаги на испарение и транспирацию практически прекращается, а водный баланс имеет положительный знак и преобладает вынос солей из почвы.

Учитывая, что оросительная вода Каховского водохранилища пресная, сброс оросительных вод (в отсутствие дренажа) практически ничтожен, а вынос солей с урожаем в значительной мере компенсируется вносимыми удобрениями, названными статьями солевого баланса можно пренебречь.

Несколько сложнее обстоит дело с учетом выноса солей при инфильтрации влаги из почвы в грунтовые воды при поливах.

Выше были показаны возможные размеры такого выноса солей при промывке монолитов пресной водой. Но вместе с тем на примере орошения территорий, имеющих близкий уровень грунтовых вод (ближе 1,5 м) и где уже развивается вторичное засоление, было установлено (А.В. Новикова, 1959), как после очередного полива происходит еще большее повышение уровня грунтовых вод и, благодаря усилившемуся расходу их на испарение, возрастает накопление солей в почве. Поэтому солевой баланс за весь вегетационный период будет определяться расходом грунтовых вод на испарение и транспирацию за минусом инфильтрации влаги. Такую величину можно получить с помощью лизиметрических наблюдений.

Солевой баланс для вегетационного периода можно, таким образом, упростить до выражения:

В холодный и влажный период года, когда практически прекращается расходование влаги на испарение и транспирацию и водный баланс становится положительным (приход влаги преобладает над расходом), из почвы начинается выщелачивание солей. Для этого периода солевой баланс определяют по аналогичному выражению:

Однако поскольку отложившиеся из почвенного раствора в осадок соли представлены не только легкорастворимыми соединениями, но и среднерастворимыми, а, кроме того, растворимость некоторых солей понижается при низкой температуре, то в холодный период вымываются инфильтрационными токами не все соли, а какая-то их часть, что должно учитываться при соответствующих расчетах.

Вычисление количества солей, которое может накопиться в почве при вторичном засолении за вегетационный период (А.

В. Новикова, 1967), производится по формуле:

где S гр – количество солей, поступившее в почву из грунтовых вод при их испарении и транспирации, %;

С п – прогнозируемая минерализация, г/л;

d – объемный вес слоя почвы, г/см3;

Н – величина слоя грунтовой воды, расходуемой на испарение и транспирацию, мм;

h – мощность верхнего слоя почвы, в котором будут откладываться соли, см.

Для вычисления солевого баланса в невегетационный период необходимо знать количество солей, которое может выщелачиваться атмосферными осадками в этот период года. В условиях Крымского Присивашья, по наблюдениям автора (А.В.

Новикова, 1962), осенне-зимними и ранневесенними осадками выносится 40–60, а иногда и 80% солей из верхнего слоя почв.

Примерно такое же количество солей выносится из почв других районов страны, в частности, из почв тяжелого механического состава долины Вахша – 43–52% (О.А. Грабовская, 1961).

Вычтя из величины, характеризующей накопление солей в вегетационный период, ту ее часть, которая может быть выщелочена в невегетационный период, можно получить данные о засолении на начало следующего вегетационного периода. Затем путем соответствующих расчетов по каждому последующему году (отдельно от вегетационного и невегетационного периодов) можно определить ожидаемое вторичное засоление на любой срок.

В качестве примера расчета количества солей, поступивших в почву из грунтовых вод при их испарении и транспирации (S гр ), приведем данные прогноза по одному из ключевых участков в зоне Северо-Крымского канала. Прогнозируемая минерализация (С п ) с учетом разбавления пресными инфильтрационными водами (на 1/ 4 ) составила 7,4 г/л; величина слоя грунтовой воды (Н), расходуемой на испарение и транспирацию при глубине залегания грунтовых вод на 1 м от поверхности и транспирацию озимой пшеницы, по аналогии с другими районами составила 230 мм за вегетационный период (Д.М. Кац, 1969); мощность верхнего слоя почвы, на который произведен расчет (h), равна 20 см при объемном весе (d) 1,3 г/см3.

Вторичное засоление данного слоя почвы в первый год (первый вегетационный период) выразится такой величиной:

Вынос солей атмосферными осадками в первый невегетационный период (S инф ) примем равным 60%, что составит 0,39%.

Солевой баланс за невегетационный период (и, таким образом, в целом за первый год) будет равен:

Следовательно, к началу второго вегетационного периода в верхнем слое почв сохранится 0,26% солей. Во второй вегетационный период снова накопится 0,65% солей, что вместе с остатком (0,26%) даст 0,91% солей.

Аналогичный расчет на последующие годы показывает, что дальнейшее возрастание содержания солей в почве будет происходить до шестого года. Затем, вследствие того, что количество накапливаемых за один вегетационный период солей будет равно количеству вымываемых солей за невегетационный период, соленакопление стабилизируется, составляя 1,08% в конце вегетационного периода.

Так, используя балансовый метод, можно прогнозировать величину вторичного засоления почв при условии, что оросительная вода пресная. В противном случае нужно учесть и поступление солей с оросительной водой, исходя из вышеприведенной формулы, а также учитывая предложения Сабольч, Дараб, Варалляи (1971) и др.

Метод прогноза солевого режима, основанный на учете механизма конвективной диффузии Выше отмечалось, что в последние годы широкое распространение получили аналитические методы прогноза, основанные на теории физико-химической гидродинамики пористых сред, в частности, учитывающие механизм конвективной диффузии.

С.Ф. Аверьянов (1965) предложил использовать для прогноза такое уравнение:

где n – концентрация почвенного раствора, г/л;

х – расстояние, м;

V – фактическая скорость движения воды в порах грунта, равная где V 0 – скорость фильтрации, м в сутки;

т – порозность, n м – предельная концентрация насыщения;

– коэффициент растворения, 1/сутки;

D* – коэффициент конвективной (фильтрационной) диффузии, м2 в сутки.

Из уравнения следует, что изменение во времени концентрации солей в какой-либо точке зависит от поступления солей в результате разности концентрации почвенного раствора (диффузионный член, первый), переноса солей движущейся водой (конвективный, фильтрационный член, второй) и растворения твердой фазы солей, а также поступления их в раствор.

В зависимости от начальных и граничных условий и способов решения этого уравнения могут быть выделены различные аналитические методы прогноза солевого режима, первые и основные из которых предложены С.Ф. Аверьяновым. Им же предложена и методика определения физико-химических параметров, входящих в указанное уравнение, в частности, коэффициента конвективной диффузии.

По методу С.Ф. Аверьянова вначале составляют прогноз водного режима и определяют скорость ежегодного подъема уровня грунтовых вод. При этом учитывают, в какой мере подъем грунтовых вод вызван потерей воды из каналов, а в какой – потеоями воды на полях. Рассчитывают величину прогнозируемой минерализации грунтовых вод. Определяют среднее устойчивое положение грунтовых вод, при котором они, превысив критическую глубину, начнут стабилизироваться вследствие того, что приток грунтовых вод снизу будет равен расходу их на испарение: Определяют коэффициент конвективной диффузии. Расчет количества солей, накопившихся в почве при установившемся солевом режиме за счет расхода грунтовых вод на физическое испарение, ведут по следующей формуле:

где С 2 –минерализация оросительных вод, г/л;

С 1 – минерализация грунтовых вод, г/л;

x 1 –глубина стабилизации грунтовых вод, м;

V 2, – cреднегодовая интенсивность поступления воды на поверхность почвы, м в сутки;

V 1 – среднегодовая интенсивность расходования воды на испарение, м в сутки;

в сутки;

т – активная пористость;

х – расстояние от поверхности земли, м.

Время (t), в течение которого произойдет стабилизация в накоплении солей, определяют по формуле где V = - конвективная скорость перемещения солей.

Для учета расхода воды растениями на транспирацию из всего почвенного слоя предлагается другой способ расчета (здесь он не приведен).

Результаты разработки прогноза вторичного засоления Начав в 1962 г. разработку метода солевого прогноза и совершенствуя его в последующие годы, автор на разных этапах исследований применял два метода. По первому – балансовому – прогноз составляли на основании гидрогеологического прогноза, выполненного Днепропетровским госуниверситетом (В.Д. Филимонов, В.Д. Кращенко и др.) и «Укргипроводхозом» (А.Д. Петраш, В.П. Ивахненко и др.), а также по данным полевых исследований автора с сотрудниками и моделирования процессов передвижения влаги и солей в почвах. Результаты прогноза оформляли на картах масштабов 1:50000, 1:200000, которые составляли на несколько сроков от начала орошения (5; 10; 20 лет и др.) для совхоза «Память Ильича» в зоне Краснознаменской системы и для ряда участков предстоящего орошения Северо-Крымской оросительной системы.

Преимущество оформления данных прогноза на картах состоит в том, что по ним легко определить участки, нуждающиеся в первоочередном строительстве дренажа (участки, где по прогнозу ожидается вторичное засоление) Все эти материалы передавали проектирующей организации, которая использовала их при уточнении проекта.

С появлением метода С.Ф. Аверьянова автор выполнил повторную проработку прогноза вторичного засоления по его методу в сочетании с методом прогноза минерализации грунтовых вод, предложенным автором данной книги. Прогноз составлен для 22 основных ключевых участков в пределах степного Крыма, где до начала орошения велись специальные исследования, отбирались пробы почво-грунтов и грунтовых вод, велось моделирование и т. д. Ключевые участки закладывали на неорошаемых землях с учетом геоморфологии, геологии и гидрогеологии на отдельных почвенных видах, что позволило разработать солевой прогноз с учетом механического состава и основных воднофизических показателей для следующих почв, расположенных ныне на уже орошаемых участках: темно-каштановых слабосолонцеватых, лугово-каштановых солонцеватых, солонцов, черноземно-луговых и аллювиально-луговых.

В пределах Краснознаменского канала прогноз разработан для лугово-каштановых супесчано-легкосуглинистых и лугово-черноземных легко- и среднесуглинистых почв совхоза «Память Ильича» (терминология почв дается по условиям до ввода в орошение).

Поскольку на каждом ключевом участке (с каким-то одним видом почв) образцы отбирали в 3–6-кратной повторности, а на некоторых в еще большей повторности, то это позволило вести прогнозирование при доверительной вероятности 0,7–0,8.

Для составления прогноза принимали во внимание следующие параметры и условия расчета.

Коэффициент конвективной диффузии Д* определяли по полевым наблюдениям в лизиметрах и на стационарных площадках, используя для условий установившегося солевого режима метод С.Ф. Аверьянова и для неустановившегося – Л.М.

Рекса.

В первом случае для солонцовых почв Крыма по данным лизиметрических наблюдений сопоставляли средние за два года значения содержания солей (плотного остатка и отдельно иона хлора), во втором – сопоставляли данные весны и осени 1966 г., осени 1965 и осени 1966 г.

Расчет по формулам С.Ф. Аверьянова (1965) дал следующие значения Д (м2 в сутки): по плотному остатку 0,00076 и 0,00099; по иону хлора 0,00084 и 0,00111.

Коэффициент конвективной диффузии по неустановившемуся режиму с решением основного уравнения, предложенного Л.М. Рексом (1969) для условий неравномерного начального распределения солей, рассчитывали на ЭВМ «Минск-22» по специально составленной программе (С.Г. Цыгуткин, 1971).

Величина Д* при сопоставлении сроков весны и осени 1966 г. оказалась равной 0,00037 м2 в сутки, для сроков осень 1965 и осень 1966 – 0,00110 м2 в сутки.

В последнее время предложены и другие методы определения Д* (Д.Ф. Шульгин, Р.М. Машарипов, 1973).

Поскольку эти данные оказались близкими к полученным первым способом, они были суммированы и получен средний из шести определений коэффициент конвективной диффузии для солонцовых почв Присивашья, равный 0,00086 м2 в сутки (8,6 · 10–4 м2 в сутки).

Для западной приморской части террасы-дельты Днепра величину Д* определяли по двум видам почв — каштановолуговой супесчаной и черноземно-луговой легкосуглинистой. Вычисления производили по формулам для неустановившегося режима на основании данных динамики солей в период осени и весны 1967 г. Величина Д* для каштаново-луговой супесчаной почвы оказалась равной 0,0038, для черноземно-луговой легкосуглинистой почвы — 0,0020 м2 в сутки.

Таким образом, для последующих расчетов были приняты следующие значения Д* (м2 в сутки): для тяжелых почв Крымского Присивашья – 0,00086, для почв средне- и легкосуглинистых юга Причерноморья – 0,0020, для почв супесчаных юга Причерноморья – 0,0038.

Опираясь на данные полевых наблюдений Крымской опорной гидрогеологической экспедиции (О.А. Федосеева), «Укргипроводхоза» (В.С. Ставицкий, Ю.А. Чирва и др.), автора и других, мы произвели расчет величины стабилизации уровня грунтовых вод в Крымском Присивашье при следующих исходных данных. Ежегодный подъем уровня грунтовых вод 1 м, соотношение потерь из каналов и с полей 1/ 2 : 1/ 2, активная пористость в зоне полного водонасыщения 34% (в объемных величинах), или т = 0,34; испаряемость – 850 мм; критическая глубина – 2 м.

Скорость подъема грунтовых вод V1 = = 0,00274 м в сутки.

Поскольку половина этой величины вызвана инфильтрацией с полей, то скорость поступления воды на поля составит V = 1/ 2 V 1 = 1/ 2 · 0,00274 = 0,00137 м в сутки. Высота слоя инфильтрующейся воды составит V 2 = 0,00137 · 0,34 = 171 мм/год.

Скорость притока воды снизу за счет только инфильтрации из каналов равна V 1 – V 2 = 0,00274 – 0,00137 = 0,00137 м в сутки, а величина слоя воды (V 1 – V 2 ) – m=0,00137 – 0,34=171 мм/год.

Считая, что стабилизация наступит, когда величина притока 171 мм будет равной расходу на испарение, то, использовав предложение С.Ф. Аверьянова (1965) по определению этой величины, получим, что она равна 132 см.

Итак, после подъема грунтовых вод и принятия относительно устойчивого положения их на глубине 132 см, перемещение солей в почве будет зависеть от соотношения скоростей просачивания V 2 и восходящего тока от грунтовых вод – подпитывания грунтовыми водами (V 1 – V 2 ).

Для расчета водного баланса принимали во внимание климатические показатели и рекомендуемые «Укргипроводхозом» нормы и сроки поливов основных сельскохозяйственных культур.

Исходя из того, что на орошаемых полях выращивают различные культуры, расчет водного баланса (водо-поступления и расхода на суммарное испарение) был выполнен по нескольким культурам, а также в целом для поля севооборота (осредненный водный баланс). В последнем случае был принят следующий севооборот, рекомендуемый «Укргипроводхозом» в качестве примерного для степного Крыма: 1–2 поля – многолетние травы; 3– озимая пшеница, пожнивно – кукуруза на зеленый корм; 4– овощные; 5– кукуруза на силос; 6– озимая пшеница, пожнивно – горохово-овсяная смесь; 7– кормовые корнеплоды; 8– яровые зерновые с подсевом многолетних трав. Суммарное испарение рассчитывали по методике А.М. Алпатьева (1954), уточненной для условий юга Украины С.М. Алпатьевым (1965). При этом для поля, занятого разными культурами, вначале вычисляли процент культуры в севообороте, а затем с учетом биологического коэффициента каждой культуры определяли усредненный биологический коэффициент за каждую декаду вегетационного периода. Необходимые для расчетов климатические показатели принимались для года 75%-ной обеспеченности (за теплый и холодный периоды года) по метеостанции Клепинино.

Расчет водного баланса вели для трех его значений: отрицательного, когда на орошаемое поле подают воды меньше, чем необходимо для растений, а потому имеет место подпитывание поверхности почвы грунтовыми водами и величина подпитывания – V 1 – V 2 > 0; нулевого (компенсационного) водного баланса, когда количество подаваемой воды соответствует расходу на испарение и транспирацию; и, наконец, положительного, когда на поле подают больше воды, чем необходимо для транспирации и испарения, а потому подпитывание грунтовыми водами поверхности почвы не только не имеет места, но даже V 1 – V 2 < 0.

Вариант отрицательного водного баланса получен при расчете его показателей для осредненного поля севооборота.

Суммарное испарение за год составило 814,9 мм. Оросительная норма (с влагозарядкой) – 4200 м3/га, или 420 мм (рекомендована «Укргипроводхозом» для осредненного поля севооборота); количество осадков за год 296,1 мм. Общее водопоступление оказалось равным 716,1 мм. Годовой водный баланс (водопоступление минус расход влаги на испарение) составил 716,1–814,9 —99 мм, т. е. отрицательный. Величина подпитывания грунтовыми водами (V 1 – V 2 ) равна 0,000271 м в сутки.

Второй вариант водного баланса (нулевой) был получен для поля озимой пшеницы. Результаты расчета таковы: осадки 296,1 мм, оросительная норма 180 мм, влагозарядка 100 мм, общее водопоступление за год 576,1 мм. Расход на испарение составил 579,2 мм. Годовой водный баланс равен 576,1 – 579,2= –3,1 мм, т. е. практически близкий к нулевому. Величина подпитывания грунтовыми водами (V 1 – V 2 ) при данных условиях оказалась равной 0,0000082 м в сутки.

Третий вариант водного баланса (положительный или промывной) получен для такого же поля озимой пшеницы при условии увеличения водопоступления на 20% сверх необходимой величины. В этом случае величина водопоступления оказалась равной 692,1 мм, расход на испарение 579,2 мм, водный баланс 692,1 – 579,2 = 112,9 мм или, с округлением, 113 мм.

Подпитывание грунтовыми водами поверхности почвы отсутствует, а величина, выражающая подпитывание, имеет отрицательный знак: V 1 – V 2 = – 0,00031 м в сутки.

Кроме трех условий различного водного баланса, учитывали три варианта по величине конечной (прогнозируемой) минерализации грунтовых вод. Первый вариант соответствует тому условию, когда грунтовые воды поднимаются на орошаемом участке исключительно за счет потерь воды из каналов и гидростатического отжимания фильтрующимися водами естественных грунтовых вод. В этом случае инфильтрация с полей отсутствует (случай идеального орошения). Грунтовые воды при подъеме осолоняются в той или иной мере вследствие перехода в них солей из почво-грунтов, опреснение (разбавление) инфильтратами не происходит. Соотношение потерь из каналов к потерям с полей равно 1 : 0. Такому варианту соответствует состав грунтовых вод, полученный непосредственно после физического моделирования последовательными солевыми вытяжками.

Второй и третий варианты относятся к случаю, когда подъем уровня грунтовых вод совершается по двум причинам – вследствие потерь воды из каналов и потерь воды с полей. Выше было показано, что при инфильтрации воды на полях вначале происходит заметный вынос солей из грунтов в грунтовые воды, но затем количество выносимых солей резко уменьшается и им практически можно пренебречь.

Учитывая, что прогноз разрабатывается в многолетнем плане, мы приняли условие, что инфильтраты с полей будут пресными (возможность влияния соленых инфильтратов на изменение минерализации грунтовых вод показана нами выше). В этом случае часть воды, теряющаяся на полях и способствующая подъему грунтовых вод, будет вызывать опреснение (разбавление) поднимающихся грунтовых вод. Для расчетов приняты два возможных случая опреснения, один – когда соотношение потерь из каналов к потерям с полей выражается как 3/ 4 : 1/ 4, т. е.

происходит разбавление на 1/ 4 объема поднявшихся грунтовых вод, и другой – при соотношении, равном 1/ 2 : 1/ 2 т. е. разбавление солевых грунтовых вод совершается наполовину.

Вводя три названные варианта по степени минерализации грунтовых вод, автор стремился отразить возможные случаи, наблюдаемые при ирригации, когда на одном и том же поле встречаются воды разной минерализации.

В качестве примера вычисления степени засоления и распределения солей в темно-каштановой почве после подъема уровня грунтовых вод и их стабилизации на глубине около 1,3 м приведем данные прогноза для орошаемого участка в совхозе «Таврический» (табл. 12).

Здесь показано распределение солей в почве при расходе грунтовых вод на физическое испарение в случае отрицательного, практически нулевого и положительного водного баланса, а в пределах каждого водного баланса — по три варианта с различной степенью минерализации грунтовых вод. Кроме того, для условий отрицательного баланса сделан расчет, при котором учитывался расход влаги только на транспирацию. В целом получилось 12 вариантов солевого прогноза.

Анализ полученных данных позволяет прийти к следующим заключениям. Для осредненного поля севооборота приведенная оросительная норма (4200 м3/га) является недостаточной, поскольку в этом случае складывается отрицательный водный баланс, который в условиях близкого залегания уровня минерализованных грунтовых вод и покрытия дефицита водного баланса расходом грунтовых вод на испарение ведет к аккумуляции солей.

Максимальное засоление имеет место при расходе грунтовых вод на физическое испарение с наибольшим засолением поверхностного слоя почвы от 0,54% (при разбавленных наполовину грунтовых водах) до 0,97% (при неизменном после их подъема составе). Накопление солей в таких пределах должно завершиться, как показал расчет, примерно за четыре года.

В случае расхода грунтовых вод только на транспирацию корнями растений из всего корнеобитаемого слоя (в данном случае около 1 м) накопление солей, в соответствии с общими представлениями, оказывается значительно меньшим – от 0, до 0,29% на поверхности почвы. Максимальная аккумуляция солей отмечается на глубине 1 м.

В действительности следует ожидать какую-то среднюю картину засоления, поскольку грунтовые воды будут расходоваться и на транспирацию, и на физическое испарение.

12. Данные прогноза распределения солей по профилю темно-каштановой почвы после подъема уровня При практически нулевом водном балансе (варианты 7– с озимой пшеницей), когда подпитыванием грунтовых вод практически можно пренебречь, в почве все-таки происходит некоторое накопление солей.

И, наконец, в том случае, когда подается оросительная норма, на 20% превышающая суммарное испарение (варианты 10–12), и при этом предполагается, что имеется искусственный отток в дрены, поскольку иначе поданная вода должна просто оказаться на поверхности (рассматриваются условия близкого – 1,3 м – залегания грунтовых вод), то в почве будет происходить опреснение. Как показало обследование орошаемого участка в совхозе «Таврический», такое распределение солей свойственно избыточно орошаемым почвам, в которых уровень грунтовых вод находится ниже 1,5–2 м, а воды оттекают по потоку вниз.

Таким образом, последний из рассматриваемых вариантов может быть примером водно-солевого режима промывного типа, когда при этом имеется отток грунтовых вод (в дрену или понижения рельефа).

Возникает вопрос, в какой мере для целей составления прогнозов можно пользоваться описанным аналитическим методом, основанным на учете механизма конвективной диффузии, поскольку такой механизм имеет место в водонасыщенной среде.

Нам представляется, что в условиях близкого залегания грунтовых вод (около 1,3 м) и орошения почва практически является водонасыщенной, особенно после полива. Поэтому имеется определенное основание применять систему расчетов для данного случая вторичного засоления почв.

Второй вопрос, связанный с применением данного метода, касается условий, при которых рассматривался этот метод, когда в почве перемещаются только легкорастворимые соли, находящиеся в поровом растворе. Такие условия соблюдаются при составлении солевого прогноза для темно-каштановых, лугово-каштановых почв, черноземов и других, в которых солевой горизонт, содержащий также и среднерастворимые соли (гипс и другие), находится глубже 1,3–1,5 м. Поэтому для большей части почвенного покрова орошаемой территории юга Украины применение этого метода вполне целесообразно, что не исключает возможности проведения соответствующих расчетов по другим аналитическим решениям (Н.Н. Веригин, 1953; В.А. Барон, и др., 1967; В.И. Пеньковский, 1971 и др.).

Результаты произведенных расчетов солевого прогноза представлены в виде эпюр распределения солей в различных почвах на 22 ключевых участках степного Крыма (рис. 6) Рис. 6. Прогноз вторичного засоления почв в зоне орошения Северо-Крымского канала при отрицательном водном балансе (V 1 –У 2 = 0,00027 м в сутки: грунтовые воды расходуются на испарение: Д* =0,00086 м в сутки). Варианты прогноза: I – грунтовые воды не разбавлены; II – грунтовые воды разбавлены на / 4 ; III – грунтовые воды разбавлены на / 2 Номера ключевых участков от 1 до 22, их местоположение:

а) северо-западное Присивашье, Красноперекопский район: 1 – от с. Пятихатки 3 км на юго-запад; 8 – от с. Кураевка 0,4 км н а запад; 20 – от с. Кураевка 0,2 км на север; б) – западное Присивашье, Раздольненский район; 3 – от с. Максимовка 3 км на север; 4 – от с. Червонное 1,5 км на северо-запад; – от с. Ручьи–2 км на восток; 10 – от с. Новое 0,5 км на северо-запад; 11 – от с. Воронцовка 2 км на север; 18 – от с. Ручьи 1,5 км на запад; 19 – от с.

Кропоткино 0,6 км на восток; 21 – от с. Новое 0,4 км на северо-запад; в) центральное Присивашье, Красноперекопский (частично) и Джанкойскнй районы:

2 – от с. Вишневка 7 км на юг; 5 – от с. Лобаново 1,5 км на запад; 6 – от с. Колоски 1 км на юг; 12 – от с. Ермаково 1,5 км на юг; 13 – от с. Боброво 1 км на запад; 14 – от с. Новомихайловка 0,6 км на юго-восток; восточное Присивашье – Джанкойский (б. Азовский) и Нижнегорский районы: 7– от с. Новосельцево 1,3 км на восток; 16 – от с. Чкалово 1 км на северо-запад; 16 – от с. Лиственное 1 км на северо-восток; 17 – от с. Лиственное 0,5 км на юго-восток;

Прогноз показывает следующее. Если на орошаемом поле поддерживается такой режим орошения, при котором испарение превышает водопоступление (отрицательный водный баланс) и дренаж отсутствует, в почвах всех рассматриваемых ключевых участков может начаться вторичное засоление (в большей или меньшей степени) через четыре года после начала орошения. За этот срок грунтовые воды поднимутся и займут стабильное положение на глубине около 1,3 м.

Интенсивность проявления вторичного засоления будет зависеть от степени минерализации грунтовых вод (о влиянии водно-физических свойств было сказано ранее). Если грунтовые воды будут иметь прогнозируемую минерализацию, соответствующую результатам физического моделирования, то ожидаемое вторичное засоление будет максимальным и составит в большинстве почв 1–2% (в их верхних слоях). Лишь в аллювиально-луговых почвах степень возможного засоления будет слабее – 0,5%.

Если же минерализация грунтовых вод будет меньше на / 4 от предыдущей, то в большинстве почв ключевых участков ожидаемое вторичное засоление будет находиться в пределах 0,7–1,7%.