2. Прогноз гідрогеолого - меліоративних обставин на зрошуваній ділянці

2.1. Прогноз зміни рівня підґрунтових вод

Після введення в дію зрошувальної системи на ділянці необхідно знайти можливі зміни в складових водного балансу, які викличуть зрошення. При зміні хоч би одного елементу можуть суттєво змінитися і величини інших складових, а ті в свою чергу будуть впливати в цілому на меліоративні обставини зрошуваної території. Так, наприклад, фільтрація з каналів або тимчасової зрошувальної мережі може вплинути на положення рівня підґрунтових вод, а ті в свою чергу вплинуть як на величину притоку в зону аерації зі сторони підґрунтових вод так і на величину перетоку в нижче лежачі горизонти. Окрім того фільтрація із каналу може значно змінити величину підземного притоку в сторону зрошуваної ділянки і т.д. Іншими словами, щоб оцінити можливі зміни складових водного балансу необхідно знати їх кількісні зв'язки, започатковані на пізнанні суті процесу.

Як показує практика, зразу ж після початку зрошення змінюється водний режим поверхневих і ґрунтових вод, а вслід за ними і підґрунтових вод.

Рівняння водного балансу для зрошуваних масивів можуть бути записані наступним чином (Лебедєв А.Ф. 1957, Костяков О.М., 1960; Веригін М.М. 1962 та ін.):

а) для поверхневих і ґрунтових вод (на полях):

ΔW₁ + W₂ = O_p + O _c - (И + T _p) + (1 - α)Ф _к – С ± g, м³/га ( 2.1 )

б) для підґрунтових вод:

ΔW₃ = ± g + П – О + α Ф _к – Д ± р , м³/га ( 2.2 )

в) загальний баланс:

∑ ΔW = В + O _c - (И + T _p) + (П – О) – С – Д ± р, м³/га ( 2.3 )

де ΔW - зміни запасів води (поверхневих, ґрунтових, підґрунтових і

загальних), м /га;

О _р - зрошувальна норма (нетто), яка подається на поля з

мережі, м³/га;

О_с - опади, м³/га;

И - випаровування частини опадів, які не вжилися до ґрунту, м³/га;

Т _р - транспірація і випаровування з ґрунту, м³/га;

α - частина фільтрації з каналів, яка поступає на живлення

підґрунтових вод;

Ф _к - фільтрація з каналів (закритої мережі) усіх порядків, м³/га;

С - поверхневі скиди безпосередньо з полів, м³/га;

± q - вертикальний водообмін між ґрунтом і підґрунтовими

водами (знак "+" - надходження підґрунтових вод до грушу), м³/га

П,0 - підземний приток і відтік, м³/га

Д - дренажний стік (навантаження на дренаж), м³/га

±р - вертикальний водообмін підґрунтових вод з більш глибоко

залягаючими підземними водами (знак "+" - живлення підґрунтових

вод знизу), м³/га;

В - водозабір з урахуванням поверхневого притоку і скидів, м³/га

В = В₀ + П – С_к = O _р + Ф _к, м³/га ( 2.4 )

де В₀ - головний водозабір, м /га;

П - поверхневий приток зі сторони, який потрапляє в систему

зрошувальних каналів, м /га;

С _к - транзитні і інші скиди із зрошувальних каналів, які

минають поля, м /га;

Рівняння (1)...(4) записані в достатньо загальному виді і можуть бути використані як для великих масивів, систем, так і для їх частин. В залежності від конкретних умов зрошуваної ділянки вони можуть бути спрощені. Гак, наприклад, боковий приток П і відтік О підґрунтових вод через слабопроникнені шари малі і тому можливо прийняти Ц - О=0. При відсутності напірного живлення балансового шару підземними водами р=0. Крім того, якщо на сівозмінній ділянці поливи виконуються якісно, внаслідок чого і С=0.

Величину і напрямок вертикального водообміну між ґрунтовими і підґрунтовими водами можна визначити з рівняння балансу підґрунтових вод, які можна представити у такому виді:

ΔW _n = П – O + αO _c + O _p +Ф _к – E + g , м³/га ( 2.5 )

де ΔW _n - зміна запасів підґрунтових вод на 1 га за 1 рік, м /га;

α - доля опадів, які поглинулися ґрунтом (при малих ухилах

місцевості і достатньої проникненості ґрунтів _а = 1);

Е - сумарне випаровування з поверхні і ґрунту, а також

транспірація (для наближених розрахунків може бути прийнята

рівною середньозважувальній величині сумарного

водовикористання), м³/га.

При відсутності підземного бокового притоку і відтоку це рівняння спрощується і приймає вигляд:

ΔW _n = αO _c + O _p + Ф _к – E + g , м³/га ( 2.6 )

У даному рівнянні величина вертикального водообміну ґрунтових і підґрунтових вод прийнята позитивною, тобто приортетним прийнято напрямок висхідних токів.

За розрахунковий рік можна рахувати ΔW =0, так як на протязі вегетації запаси підґрунтових вод підтримуються за рахунок зрошення, а в невегетаційний період поповнюються вологозарядними поливами. Тоді величина і напрямок вертикального водообміну між фунтовими і підґрунтовими водами находяться з рівняння:

g = ΔW _n + E - αO _c - O _p - Ф _к , м³/га (2.7)

Якщо з гідрогеологічних умов ділянки відомо напрямок потоку підґрунтових вод, ухили поверхні підґрунтових вод по напрямку потоку, а також ширина фронту потоку, який подається, то годі приток який подасться /7 на територію ділянки й відтік О визначається за формулою:

П – О = м³/га за рік (2.8 )

де К _ф - середній коефіцієнт фільтрації ґрунту, складаючий

водоносну товщу, м/доб;

Т _сер - середня потужність водоносного шару, м;

i₁, і₂ - ухили поверхні підґрунтових вод на початку і в кінці їх

потоку на ділянці;

L - фронт (ширина) потоку, м;

t - кількість діб у році;

F - площа брутто зрошуваної ділянки, га.

При здійсненні поливів із закритої або комбінованої зрошувальної мережі значно зменшується фільтрація, величина якої розраховується за формулою:

де ή - коефіцієнт корисної дії внутрішньогосподарської

зрошувальної мережі.

Зрошувальна норма нетто, яка подається на 1га зрошуваної площі брутто знаходиться за формулою:

де КЗВ - коефіцієнт земельного використання;

М_сер.зв - сумарна середньозважувальна зрошувальна норма, нетто, м³/га.

У свою чергу Мсер.зв знаходять за формулою:

де М₁,М_г ... М_п - сумарна зрошувальна норма

сільськогосподарських культур на полях

сівозмінної ділянки, м /га;

а1, а_2, ... ап - доля сільськогосподарських культур від загальної

площі сівозмінної ділянки.

Випаровування Е з водної поверхні опадів, які не поглинаються ґрунтом, а також транспірація і випаровування з ґрунту може бути виражено як сумарне випаровування вегетаційного (ЕВП) і не вегетаційного періоду (ЕНП), тобто:

Середньовагома величина сумарної водопотреби вегетаційного періоду знаходиться за формулою:

де Е_і, Е_г, ..., Е_п - сумарна водопотреба сільськогосподарських куль­тур на

полях сівозмінної ділянки, м/га;

α1, α2, … αп - доля сільськогосподарських культур від загальної

площі сівозмінної ділянки.

Величина сумарного випаровування невегетаційного періоду Е_нп для зони півдня України звичайно змінюється в інтервалах 700...800л//га.

Атмосферні опади, за винятком поверхневого стоку, можна

виразити як αО_с, де α- коефіцієнт, який показує долю опадів, яких поглинув ґрунт. Для умов середньосухого року, спокійного рельєфу і нормальної водопроникненості ґрунту ця величина складає 0,9...1,0.

Виходячи з вищевикладеного, загальне рівняння водного балансу для зрошуваних масивів може мати такий вид:

Щорічний приріст рівнів підірунтових вод, викликаний зміною запасів води ( ∑ΔW) можна визначити з формули:

де µ - коефіцієнт недостатку насичення ґрунтів зони аерації

Коефіцієнт недостатку насичення або водовіддачі ґрунту є важливим параметром, який необхідний для розрахунків режиму невстановленої фільтрації. При підвищенні рівня підґрунтових вод (РГІВ) значення µ характеризує недолік насичення (вільну поризність) ґрунту, розташованого вище кривої депресії, а при зниженні рівня - водовіддачу, тобто можливість грушу віддавати воду під дією сили тяжіння.

Величину µ не можна розглядати як деяку сторонню характеристику, бо вона залежить не тільки від структури ґрунту, але й від глибини залягання підґрунтових вод, швидкості їх зміни при підйомі або спаді і т.п.

Для орієнтовної оцінки величини µ можна скористатися даними, приведеними в посібнику для розрахунку "Методи расчета мелиоративного дренажа в неоднородно-слоистьгх грунтах". Автори: О.Я.Олійник, В.П.Насіковський, Урожай: Київ, 1970, стор. 20.

Таблиця 4.1 – Значення µ для різних ґрунтів

Пісчані з d50, мм				Супісчані		Суглинисті
0,1	0,2	0,5	0,1...0,15		0,01...0,10
0.18	0,25	0,28

Для визначення часу підйому РПВ до критичних позначок необхідно знати допустиму глибину залягання підґрунтових вод.

За академіком О.М. Костяковим, критична глибина підґрунтових вод - це граничне їх положення, вище якого в фунті утворюється накопичення воднорозчинених солей у небезпечній концентрації. Ця величина залежить від ступеню мінералізації підірунтових вод, механічного і структурного складу грунту.

Академік О.М.Костяков встановив залежність критичної глибини залягання РПВ від їх мінералізації (табл. 4.2).

Таблиця 4.2 - Залежність Нкр від мінералізації підґрунтових вод (МПВ)

МПВ, г/л	більше 7,0	6,0	5,0	4,0	3,0	1,5
Нкр, м	3,5	3,25	3,0	2,6	2,2	1,5

Академік В.А.Ковда запропонував знаходили Нкр, в залежності від середньорічної температури повітря (і):

В літературних джерелах існує і така формула для знаходження

де Н_тах - найбільша висота капілярного підняття води в даному

ґрунті підґрунтя, м;

а - глибина розповсюдження основної маси коренів рослин, м.

Орієнтовні значення максимальної висоти капілярного підняття (Н_тах ) для деяких ґрунтів наведені в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3 - Орієнтовні значення максимальної висоти капілярного

піднятгя ґрунтів

Ґрунт	Нтах
Суглинок важкий, лесовидні суглинки	більше 2,0
Суглинок легкий	1,6...2,0
Супісь важка	1,0... 1,5
Супісь легка	0,7... 1,0
Пісок дрібнозернистий, глинистий	0,3...0,5
Пісок середньозернистий	0,15.-0,20
Пісок крупнозернистий	менше 0,10

Глибина активного шару ґрунту залежить від виду рослин, фази їх розвитку, фунтових умов і ряду інших факторів.

Для деяких сільськогосподарських культур в таблиці 4.4 наводяться приблизні дані з глибини активного шару фунту (С. А. Яковлев).

Таблиця 4.4 - Орієнтовні значення глибин активного шару ґрунту (а)

Культури	а ,м
Озимі зернові	0,7... 1,0
Кукурудза	0,7... 1,0
Цукровий буряк	0,7... 1,0
Люцерна	0,8...1.0
Картопля	0,6...0,7
Овочі	0,4.-0,7
Плодові сади	1,5...2,9
Ягідники	0.7...1.0

На основі багаторічних досліджень інститут Укрводпроект рекомендує такі величини Ндоп в залежність від МПВі засоленості ґрунтів підґрунтя (табл. 4.5).

Таблиця 4.5 - Орієнтовні значення допустимих глибин підґрунтових вод для

зрошуваних земель

Засоленість ґрунтів	Мінералізація підґрунтових вод
	до З г/л	більше 3 г/л
Незасолені	1,2...1,3	І,3...1,5
Слабозасолені	1,3...1,5	1,5...1,8
Середньозасолені	1,5...1,8	1,8.-2,0
Сильнозасолені	1,8.-2,0	2,2...2,3

В книзі "Дренажные системи в зоне орошений" (Під редакцією чл.-кор. ПАН України О.Я.Олійника - К.: Урожай, 1966, с.20) приводяться дані допустимих величин залягання 1ТВ в залежності від МИВ і механічного складу ґрунтів підґрунтя (табл. 4.6).

Таблиця 4.6 - Допустимі значення глибини залягання РПВ на

незасолених і слабозасоленних землях степової зони

(зрошувані землі)

Мінералізація підґрунтових вод, г/л	Ґрунти
	пісчані і супісчані	легко- і середньосуглинисті
до 5,0	до 1,0	до 1,5
5...10	до 1,5	до 2,0
І0...20	до 2,0	до 2,5
більше 20	до 2,5	до 3,0

На основі вище приведених рекомендацій, а також використовуючи вихідні дані необхідно визначити критичну глибину залягання рівня підґрунтових вод (Н_кр). Після визначення Н_кр необхідно визначити час, за який РПВ досягне критичних позначок:

де Нпоч - початкове (вихідне) положення рівня підґрунтових вод, м.

За отриманими даними необхідно побудувати графік динаміки

РПВ на зрошуваній ділянці (рис. 4.1)

Рисунок 4.1 Динаміка підйому РПВ на зрошуваній ділянці

Таким чином, середньорічна швидкість підйому рівня підґрунтових вод до критичної глибини складає:

Надалі можна визначити об'єм води який піднявся до критичних позначок з розрахунком на один квадратний метр:

де т - поризність (скважність) ґрунту.

Це заповнення відбувається в основному знизу доверху, так як головною складовою частиною живлення підґрунтових вод є фільтрація із зрошувальної мережі, а не з полів.

Якщо припустити, що з балансу втрати із зрошуваних полів (g1) складають ¼ живлення підґрунтових вод, а фільтрація із зрошувальної мережі (αФ_к) складає ¾, то тоді весь об'єм води, який піднявся, визначається із слідуючи міркувань.

Місткість W заповнюється водою знизу на величину αФ_к=3/4W, а зверху в неї надходить g1=1/4W.