МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 631.6
Расчет верховодки с учетом суточной интенсивности
осадков дождливых периодов

И.В. Корнеев
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

   Modern approach to estimate accumulation of perched groundwater is proposed. It’s based on meteorological data of continuous rainy periods daily precipitation rates, solution of loss soil water pressure head in unsaturated zone and data of soil water conductivity spatial heterogeneity. It makes possible to estimate probability of root zone overwetting and its spatial dissemination, depended on infiltration rate, soil water conductivity and other properties, groundwater level.

   Большинство исследователей сходится во мнении, что верховодка – временная и ограниченная по площади зона полного насыщения, располагающаяся, как правило, на слабопроницаемых прослойках, обычно появляется при обильной инфильтрации влаги в почву (а также конденсации водяного пара или таянии внутрипочвенного льда). Водный режим почв, в которых возможна верховодка, может быть отнесен к застойно-промывному [5], он способствует глееобразованию, которое приводит к уменьшению проницаемости прослоек и, в свою очередь, к увеличению вероятности появления верховодки. Сработка верховодки возможна за счет испарения, просачивания через слабопроницаемую прослойку, стекания по краям прослойки-линзы.
   В качестве критерия образования верховодки многие авторы называют соотношение инфильтрации влаги и водопроницаемости раздельного слоя [6]: при инфильтрации, превышающей коэффициент фильтрации, возможно образование верховодки.
   Роде A.A. [8] указывает, что в дерново-подзолистых почвах водопроницаемость иллювиального горизонта В значительно ниже, чем всех вышележащих горизонтов. В период интенсивного поступления влаги в почву она быстро просачивается через подстилку, гумусоаккумулятивный и подзолистый горизонты, а на иллювиальном горизонте задерживается ввиду его малой водопроницаемости, что вызывает переувлажнение и вышележащих горизонтов. Жернов И.Е., Смирнов Р.А. и Баер Р.А. [4] предложили называть такие слабопроницаемые горизонты раздельным слоем.
Для оценки возможности образования верховодки необходимы расчеты влагопереноса в почве с учетом как водопроницаемости раздельного слоя (иллювиального горизонта), так и информация об инфильтрационном питании в различные по влажности годы, продолжительности дождливых периодов, которые влияют на внутригодовой ход влажности корнеобитаемого слоя. Величина инфильтрационного питания может быть оценена по продолжительности дождливых периодов и суточной интенсивности осадков.
   В таблице 1 приведены обработанные за 100 лет данные наблюдений на метеостанции Московской метеорологической обсерватории им. Михельсона (ТСХА) о среднесуточной интенсивности атмосферных осадков за непрерывные дождливые периоды, то есть когда осадки выпадают ежедневно [2].
   В первом приближении можно считать, что при малых уклонах поверхности, достаточной свободной пористости почвы и малом за дождливый период испарении все выпавшие осадки просачиваются через верхние горизонты к иллювиальному горизонту В. Это инфильтрационное питание может вызывать появление верховодки.
   В практических целях выполнять расчеты удобно простым ручным способом, по аналитическим формулам. Рассмотрим следующую расчетную схему (рисунок), которая учитывает наличие слабопроницаемого горизонта (раздельного слоя), на котором при определенной инфильтрации может формироваться зона полного насыщения (верховодка).

Таблица 1
Средняя интенсивность осадков за дождливые периоды, мм/сут; столетние данные
по метеостанции Московской метеорологической обсерватории им. Михельсона (ТСХА)

Повторяемость

Число случаев за 100 лет

Средняя интенсивность осадков за дождливый период, мм/сут

1

2

3

4

5

6

7

8

1 раз в 100 лет

1

99,9

46,7

33,3

21,5

19,4

13,5

12,9

10,2

1 раз в 50 лет

2

56,7

33,2

23,2

19,9

15,7

12,6

10

8,9

1 раз в 20 лет

5

46,7

28,3

21,2

17

12,6

8,6

7,1

5,3

1 раз в 10 лет

10

32

21,2

17,8

15

10,6

6,6

4,1

 

1 раз в 5 лет

20

25,7

18,1

15,2

12

7,9

4,5

 

 

1 раз в 2 года

50

19,3

14,8

11,2

8,9

2,3

 

 

 

1 раз в год

100

14,8

11

7,8

5

 

 

 

 

2 раза в год

200

10,9

7,6

4,6

 

 

 

 

 

5 раз в год

500

6

3,1

 

 

 

 

 

 

10 раз в год

1000

2,4

 

 

 

 

 

 

 

14 раз в год

1400

1

 

 

 

 

 

 

 

   Файбишенко Б.А. [9] указывает, что при образовании верховодки над раздельным слоем присутствует зона полного насыщения, под ним – зона неполного насыщения, тогда в самом раздельном слое есть и та, и другая. Границу раздела между ними предложено называть нижним уровнем верховодки (НУВ), по аналогии назовем верхний уровень верховодки, располагающийся выше раздельного слоя (ВУВ).


Расчетная схема для определения
возможности образования верховодки

   Расчеты по предлагаемому методу можно выполнять вручную. Рассмотрим следующую расчетную схему (рисунок), которая учитывает наличие слабопроницаемого горизонта (раздельного слоя), на котором при определенной инфильтрации может формироваться зона полного насыщения (верховодка).
   Для расчета образования верховодки можно пользоваться подходом, при котором рассматривают потери напора фильтрационного потока во всех зонах влагопереноса. В зонах полного насыщения потери определяются, исходя из закона Дарси, а в зонах неполного насыщения может быть использовано решение, полученное ранее [3]. Это решение позволяют определить капиллярную составляющую напора y (и со ответствующую влажность w) на одной  из границ зоны неполного насыщения мощностью h. На другой границе зоны – насыщенный слой. Примем, что через все зоны имеется нисходящий установившийся поток влаги q (принято, что q< 0 при нисходящих токах).
   При основной гидрофизической характеристике в виде (1) и зависимости для влагопроводности в виде (2) решение А.И. Голованова и О. Паласиоса имеет вид (3)

? = (?МГ)/(mМГ) = exp(|?|/?hk),  (1)


   где   m – пористость, м3/м3;   МГ – максимальная гигроскопичность, м3/м3;   hk – максимальная высота капиллярного поднятия, м;    ?эмпирический коэффициент, принято      ? = 1,


K(?) = Kф[(?МГ)/(mМГ)]5, (2)


   где   Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;

(3)

   Полученное выражение похоже по структуре на формулу Ю.Н. Никольского [1]. Из (3) получим выражения для определения потенциала почвенной влаги (4) и толщины слоя (5)

   

   Используя это решение, можно получить зависимости для расчета образования верховодки на слабопроницаемом (раздельном) слое для принятой расчетной схемы. Расчет следует вести в напорах, поскольку на границе раздела слоев их влажности разные, а напоры одинаковые; начинать расчет нужно с III слоя. Принимая его мощность за , по формуле (4) получаем , а затем и  на верхней границе слоя по формуле (1). Используя соотношение

получаем капиллярный напор на нижней границе раздельного слоя и затем по формуле (5) определяем мощность зоны неполного насыщения мощность зоны полного насыщения определяется как Потери напора при фильтрации влаги в этой зоне равны Капиллярный напор H34 на нижнем уровне верховодки (НУВ), то есть на границе 3 и 4 зон, по определению равен нулю, поэтому полный напор в этой точке можно определить как

Тогда полный напор Н23 на границе 2-й и 3-й зон, то есть на верхней границе раздельного слоя, можно определить через потери напора в 3-й зоне Dh3:

Полный напор на границе 2-й и 1-й зон, можно определить двумя способами:

   Тогда мощность верховодки над раздельным слоем

   Принимая можно получить капиллярный напор и влажность в верхнем слое почвы по формулам (4) и (1), соответственно.
   Рассмотрим пример расчета верховодки. Для этого используем данные, полученные автором при изучении иллювиального моренного горизонта дерново-подзолистых почв элювиальных фаций Дубнинского ландшафта Московской физико-географической провинции. На этой территории вблизи деревни Селково Сергиево-Посадского района расположен стационар кафедры мелиорации и рекультивации земель «Дубна». Не описывая детально почвенный профиль, приведем схематизированное описание свойств горизонтов согласно расчетной схеме (рисунок). I и II слои – дерново-подзолистая почва, слабоводопроницаемый иллювиальный горизонт и подпочвенный слой – моренный суглинок. Моренные суглинки Московского оледенения содержат водно-ледниковые отложения легкого механического состава (супеси и пески), которые могут быть коллекторами грунтовых вод (слой 3). Согласно полученным автором данным, коэффициент фильтрации иллювиального горизонта В составляет от 0,02 м/сут до 0,17 м/сут при безнапорном впитывании (при котором и происходят первые стадии образования верховодки, когда происходит нарастание влажности почвы при инфильтрации). Автором получена эмпирическая кривая распределения величин коэффициента фильтрации. При расчете образования верховодки с помощью такой кривой можно учесть относительную площадь поля, на которой водопроницаемость иллювиального горизонта В не превышает того или иного определенного значения. Рассчитав инфильтрационное питание, приводящее к появлению верховодки при конкретной водопроницаемости горизонта В, можно указать относительную площадь поля, на которой возможна верховодка. Например, если верховодка образуется при коэффициенте фильтрации раздельного слоя 0,01 м/сут (обеспеченность которого, по данным автора, 95 %) и конкретной инфильтрации, то этот процесс охватит        1 – P0,01 = 1 – 0,95 = 5 % площади поля.
   В таблице 2 для II зоны приведен средний коэффициент фильтрации для иллювиального горизонта 0,09 м/сут.

Таблица 2
Свойства горизонтов для задачи об образовании верховодки

Слои

Мощность слоя, Н, м

Пористость,m, м3/м3

Максимальная гигроскопич-ность МГ

Максимальная высота капил-лярного поднятия, hk, м

Коэффициент фильрации, Кф, м/сут.

I

горизонты почвы А1 и А2

0,5

0,44

0,08

1,6

1,4

II

горизонт В и мореный суглинок С

2,5

0,31

0,06

2,5

0,09

III

супесчаная прослойка, подстилаемая мореной

4,0

0,36

0,05

0,6

4,0

   Примем глубину грунтовых вод 3,5 м, коэффициент фильтрации 0,09 м/сут, предельную интенсивность инфильтрации, повторяющуюся в течении 1 суток 1 раз в 100 лет, по имеющимся данным q= – 0,0999 м/сут (см. табл. 1).
Для III слоя h = hIII/hkIII = 0,5/0,6 = 0,83, qIII = q/ КфIII = – 0,0999/4 = – 0,025, по формуле (4) находим ?III = – 0,64. Используя соотношение ?II = ?III•hkIII/hkII, получаем капиллярный напор на нижней границе раздельного слоя: ?II = – 0,15.
   По формуле (5) определяем мощность зоны неполного насыщения внутри раздельного слоя, если она меньше его мощности, то верховодка образуется. В нашем расчете    hнн = 0,89 м < hII = 2,5 м, поэтому верховодка образуется; мощность зоны полного насыщения определяется как hпн = hII – hнн = 1,61 м, тогда потери напора при фильтрации влаги в этой зоне равны ?h3 = qIII hпн = – 1,11•1,61 = – 1,79 м. Капиллярный напор на нижнем уровне верховодки (НУВ), то есть на границе 3 и 4 зон по определению равен нулю, поэтому полный напор в этой точке можно определить как  H34 = – hI – hпн = – 2,11 м.
   Полный напор на границе 2-й и 3-й зон, то есть на верхней границе раздельного слоя, можно определить через потери напора в 3-й зоне ?h3: H23 = H34 – ?h3 = – 2,11 + 1,79 = – 0,32 м. Полный напор на границе 2-й и 1-й зон можно определить двумя способами: H12 = H23 – ?h2 = – hI + hв, где ?h2 = qII hв. Зная для первого слоя qI = q/ КфI = – 0,0999/1,4 =  – 0,071, определим мощность верховодки над раздельным слоем по формуле (7), которая составляет 0,19 м, а расстояние от поверхности земли до насыщенного горизонта  0,5 - 0,19 = 0,31 м.
   Мощность 1-й зоны h1 = (hI – hв)/hkI = (0,5 – 0,19)/1,6 = 0,19, тогда по формуле (4) определяем каркасно-капиллярный напор и по формуле (1) влажность на дневной поверхности почвы, которые составляют – 0,27 м и 0,38 м3/м3 соответственно, влажность в долях пористости составляет 0,87.
   Таким образом, при инфильтрации 99,9 мм/сут. на одни сутки один раз в 100 лет (см. табл. 1) над иллювиальным горизонтом может образовываться верховодка, причем граница зоны неполного и полного насыщения залегает на глубине 31 см от поверхности земли, а влажность верхнего слоя корнеобитаемой зоны составляет 0,87 пористости. Для средней по полю водопроницаемости иллювиального горизонта вероятность образования верховодки пренебрежимо мала.
   Используя описанную процедуру расчета, рассчитаем вероятность образования верховодки на основе данных об интенсивности осадков и обеспеченности коэффициента фильтрации раздельного слоя. В результате получим табл. 3, в которой приведена глубина границы зоны полного насыщения (верховодки) от поверхности почвы. Такие расчеты показывают, что верховодка может появляться на небольшой доле площади поля на разные по продолжительности дождливые периоды с разной вероятностью. Число в ячейке таблицы показывает глубину в метрах от поверхности земли до зоны полного насыщения, которая образуется при наименьшей инфильтрации по данным табл. 1, необходимой для образования верховодки. Во всех строках, расположенных выше, инфильтрация больше, и поэтому верховодка тоже образуется.

Таблица 3
Наибольшая возможная повторяемость верховодки при ГГВ=3,5 м. Коэффициент
фильтрации Кф = 0,01 м/сут. (PК = 95 %), относительная площадь верховодки на поле 5 %

Повторяемость

Число случаев за 100 лет

Продолжительность дождливых периодов

1

2

3

4

5

6

7

8

1 раз в 100 лет

1

 

 

 

 

 

 

 

0,49

1 раз в 50 лет

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1 раз в 20 лет

5

 

 

 

 

 

 

 

 

1 раз в 10 лет

10

 

 

 

 

0,42

 

 

 

1 раз в 5 лет

20

 

 

 

0,14

 

 

 

 

1 раз в 2 года

50

 

 

0,31

 

 

 

 

 

1 раз в год

100

 

0,35

 

 

Всего за 100 лет возможно 230
случаев образования верховодки
на периоды от 1 до
8 суток

2 раза в год

200

0,37

 

 

 

5 раз в год

500

 

 

 

 

10 раз в год

1000

 

 

 

 

14 раз в год

1400

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичный расчет для коэффициента фильтрации Кф = 0,03 м/сут (Р = 85 %), показывает, что за 100 лет возможны всего 22 случая верховодки (с относительной площадью верховодки на поле 15 %). Вариант для коэффициента фильтрации Кф = 0,05 м/сут                    (Р = 75 %), показывает, что за 100 лет возможны 3 случая верховодки (с относительной площадью верховодки на поле 25 %).
Разработанную аналитическую процедуру расчета и составленные таблицы наибольшей возможной повторяемости верховодки рекомендуем использовать при обосновании мероприятий по борьбе с ее образованием. Для предложенного способа расчета необходимо использовать информацию о водно-физических свойствах почв конкретного участка, располагать данными о количестве выпавших осадков и продолжительности дождливых периодов (для составления табл. 1), а также данными о пространственной вариации коэффициента фильтрации раздельного слоя, на основе которых строят эмпирическую кривую распределения для оценки площади распространения верховодки. В отличие от существующих подходов предложенный способ позволяет определять расстояние от поверхности земли до верховодки в зависимости от величины инфильтрационного потока, а также относительную площадь распространения по полю и вероятную частоту появления верховодки.

Библиографический список

  1. Айдаров И.П., Голованов А.И., Никольский Ю.Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых земель (рекомендации). – М.: Агропромиздат, 1990.
  2. Голованов А.И., Караев В.В. Способ учета неравномерности распределения осадков при проектировании осушительных систем. /В сб.: «Комплексные мелиорации». – М.: МГМИ, 1986.
  3. Голованов А.И., Паласиос О., Взаимодействие между почвенными и грунтовыми водами. /В сб.: «Сельскохозяйственные мелиорации». – М.: МГМИ, 1979. Т. 63. С. 33-44.
  4. Жернов И.Е., Смирнов Р.А. Баер Р.А. Раздельные слои при гидрогеологических расчетах в зоне орошения. /«Фильтрация на осушаемых и орошаемых территориях. Труды координационных совещаний по гидротехнике». – Л.: Энергия, 1967. Вып. 35. С. 51-62.
  5. Зайдельман Ф.Р. Процесс глееобразования и его роль в формировании почв. – М.: Изд-во МГУ, 1998.
  6. Кац Д.М., Пашковский И.С. Мелиоративная гидрогеология. – М.: Агропроиздат, 1988.
  7. Плюснин И.И., Голованов А.А. Мелиоративное почвоведение. – М.: Колос, 1983.
  8. Роде А.А. О внутрипочвенном стоке и его роли в гидрологическом режиме рек и почв. – Л.: Гидрометеоиздат, 1955.
  9. Файбишенко Б.А. Водно-солевой режим грунтов при орошении. – М.: Агропромиздат, 1986.