книги из ГПНТБ / Писарьков, Х. А. Осушение лесных земель учебное пособие для студентов лесохозяйственного факультета (специальность 1512)

Пользуясь приведенными формулами, производят следую­ щие расчеты:

1-. По известным величинам Я, d, I, ц и d„ (диаметр насад­ ки) определяют расход воды Q и высоту струи h0. Для этого по таблице или по формуле (34) определяют значения А, за­

тем по формулам (38) и (37) находят Q.

2. По известным величинам Q, d, I, d„ и р определяют вы­ соту фонтанной струи ho и требуемый общий напор. Для это­

го определяют Л, аналогично п. 1, затем по формлуе (36) оп­ ределяют Я и по формуле (38) h0.

Вследствие сжатия струи и сопротивления, оказываемого струе воздухом, действительная высота струи несколько мень­

с?=0,30 м, длина труб /=2100 м, диаметр насадки d ,,= 0,075 м

Пр и ме р 2. Определить высоту фонтанной струи Ад и об­ щий напор Я, если Q = 0,010 м3/сек, с/= 0,10 м, /=200 м, da = 0,03 м и |i = 0,945.

20.

Определяем Н по формуле (36), a h 0 по формуле (38):

/1=268; о>„ = - 3-14-°-озг - 0,00071 м2;

Н — 268 ■200 ■0,0 L02 +

О.ОР

2 - 9,81- 0, 9452- 0,000712 — 16)72 М :

/Ю=11,36 м; ®= 0,0044; Лд = 10,8 м..

Насадки, а следовательно и струи, могут быть наклонены к горизонту. Причем, чем больше угол наклона, тем круче бу­ дут восходящие 1\ и нисходящие 12 ветви траектории струи.

Дальность или расстояние действия I наклонной струи бу­ дет слагаться из длин проекций восходящей 1\ и нисходящей

U ветвей, т. е. l=li + l2.

Дальность действия зависит от напора у насадки Л0 и уг­ ла наклона ее к горизонту аь Длину ветвей можно опреде­ лить по следующим формулам:

Из таблицы видно, что наибольшая дальность струи полу­ чается при углах наклона насадки 40 и 45°.

Следует отметить, что дальность наклонных струй зависит также от диаметра насадки, в особенности при напорах свы­ ше 10—20 м .Вода фонтанов обычно поступает в приемные

21 .

бассейны (чаши). При ветре струя относится в сторону, поэ­ тому рекомендуется диаметр бассейна принимать не менее половины высоты вертикальной струи.

При поливах из шлангов дальность струй можно опреде­ лять по приведенным выше формулам, потери напора на тре­ ние в шлангах по формуле В. Г. Лобачева:

где ht — потеря напора на трение, м\ Q — расход воды, л/сек;

I — длина шланга, м;

Kt — коэффициент трения, определяемый по табл. 4.

§ 2. ГИДРОЛОГИЯ И ГИДРОМЕТРИЯ

Гидрология изучает воды земного шара, их режим, пере­ мещение и деятельность в различных географических услови­ ях. Объектами изучения гидрологии являются: океаны, моря, реки, озера, водохранилища, болота, ледники, а также поч­ венные и подземные воды. Поэтому в состав гидрологии вхо­ дит и гидрогеология, изучающая закономерности режима под­ земных вод.

Гидрометрия — раздел гидрологии, в котором рассматри­ ваются методы измерений и наблюдений для изучения режи­ ма рек, водохранилищ и озер.

Водный баланс. Уравнение водного баланса для неболь­ шого участка земной поверхности и ограниченного промежут­

где О — осадки; Пп — приток поверхностных вод на данный участок;

Пг — приток грунтовых вод;

22

К — конденсация водяных паров;

С— сток поверхностных вод с данного участка;

Ф— фильтрация (сток подземных вод);

И — испарение с поверхности почвы и растений; Т — транспирация древесными и травянистыми растени­

ями; З г — увеличение или уменьшение запаса подземных вод

(в многоводные периоды запасы подземных вод будут пополняться и 3,. будет со знаком плюс, в ма­ ловодные — со знаком минус);

ских, гидрологических и других условий, а также от периодов времени отдельные элементы водного баланса могут выпа­ дать, другие же, наоборот, усиливаться. Например, если уча­ сток примыкает к водоразделу, в верхней части склона может отсутствовать приток поверхностной и грунтовой воды, на нижних же частях склона приток этих вод может иметь боль­ шое значение в водном режиме почвы. На тяжелых слабово­ допроницаемых грунтах могут почти полностью отсутство­ вать приток и сток грунтовых вод.

Большое влияние на водный баланс оказывает лес. Пере­ водя поверхностный, напочвенный сток во внутрипочвенный, задерживая влагу на кронах, транспирируя много воды лес изменяет баланс влаги данной территории.

Водный баланс участка суши может складываться различ­ но как в отдельные периоды .года, так и в различные годы. Рассчитывая баланс влаги для среднего многолетнего перио­ да и для очень большой площади (например, бассейн круп­ ной реки), можно применять упрощенное уравнение водного баланса, так как в этом случае многие элементы водного ба­ ланса взаимно уничтожаются:

В среднем по СССР, по многолетним данным, годовое ко­ личество осадков О составляет 537 мм, испарение И — 343 мм, стокС — 194 мм.

Элементы водного баланса оказывают определяющее вли­ яние на обеспеченность почвы влагой и на ее лесораститель­ ные свойства. Если приходная часть водного баланса превы­ шает расходную, то наблюдается избыток влаги в почве и требуется осушение, если же приход влаги меньше расхода — необходимо орошение.

Понятие о стоке. Стоком называют перемещение воды в природе в виде стекания по земной поверхности (поверхност­

23

ный сток) и в толще почвогрунта (подземный сток). Поверх­ ностный сток разделяют на склоновый (по склону земной по­ верхности) и русловой (по руслам рек и другим водотокам).

Площадь, с которой стекает поверхностная вода в тот или иной водоток (реку, ручей, канал и др.) или водоем, на­ зывается водосборной площадью, а площадь и толща почвы грунта, откуда происходит сток, называется бассейном. Одна­ ко эти понятия обычно отождествляются вследствие сложно­ сти определения границы бассейна. Поэтому при расчетах оп­ ределяют водосборные площади, ограниченные-водораздела­ ми, хотя поверхностный и подземный водосборы обычно не совпадают.

Вода с водосборной площади поступает в реки, поэтому по измерению расходов воды в реках определяют величины стока.

Основными единицами измерения стока являются:

1. Объем стока W0 в м3( за год, период года, сутки):

где Q — средний расход воды, м2/сек;

t — время расчетного периода, сек.

2. Модуль стока q — это объем воды, стекающей с едини

цы водосборной площади в единицу времени, выражается в

л/сек с 1 га или км2 или в м2/сек с 1 км2. >

Модуль стока определяется по формуле

С к выпавшим на площадь водосбора осадкам О, вызвавшим этот сток:

Следовательно, коэффициент стока показывает, какая часть осадков расходуется на образование стока.

4. Высота слоя стока /г0 в мм (за год, период). Определя ется делением объема стока Wc в мг на величину водосбор­ ной площади F в м2.

(49)

24

Факторы стока. На величину стока, его распределение во времени и по территории страны влияет ряд естественных и искусственных факторов. К естественным факторам относят­

ся:

1. Климатические факторы: — осадки, испарение, темпера­

тура и др. На сток влияет как общее количество осадков, так

иих интенсивность. Сильный поверхностный сток дают ливни,, т. е. осадки с интенсивностью более 0,5 мм/мин при продол­

жительности не менее 5 мин. Осадки непосредственно влияют на запас воды в бассейне, определяют общую величину стока

ираспределение его в году. Влияние осадков распространя­ ется и на последующие годы. Например, после сухого года (или периода) одинаковое количество осадков и при той же интенсивности вызовет меньший сток, чем после влажного. Непосредственное влияние на сток оказывает и испарение. При одинаковых прочих факторах сток в северных районах больше, чем в.южных. Испарение зависит от температуры почвы. Температура обуславливает весеннее снеготаяние и по­

ловодье рек.

2. Почвенно-геологические условия — водопроницаемость-

и влагоемкость почвы и грунта, изменение их строения поглубине, мерзлота и др. Часть осадков впитывается и фильт­ руется в почву, что уменьшает поверхностный сток. По водно­ физическим свойствам, а следовательно, и по влиянию на сток все грунты можно подразделить на водопроницаемые невла­ гоемкие (пески, гравий, трещиноватые породы), полупрони­ цаемые (супеси, суглинки), слабоводопроницаемые влагоем­ кие (торф, глина, лесс) и непроницаемые невлагоемкие (сплошные кристаллические породы, плотные кремнистые глины, плотные песчаники). Пески уменьшают поверхностный сток, но увеличивают подземный. Поэтому питание реки на песчаных грунтах более равномерное в течение года. Глины, наоборот, увеличивают поверхностный сток и уменьшают грунтовый, следовательно, способствуют усилению паводков. Осушенные торфяные почвы способствуют быстрому сбросу вод весеннего половодья в период промерзания почвы. В лет­ ний период сток с болот в реки может прекращаться.

Мерзлота почв усиливает поверхностный сток, поскольку замерзшая почва становится почти непроницаемой для воды. Сильно увеличивает поверхностный сток вечная мерзлота поч­ вы, имеющаяся на значительной части территории СССР.

3.Рельеф поверхности оказывает большое влияние на

сток. Сток усиливается с увеличением уклона поверхности и изрезанности рельефа.

4.Растительный покров. Травяной и древесно-кустарнико­ вый покров увеличивает коэффициент шероховатости п до

0,15—0,20 и более, что сильно уменьшает скоростной коэффи-

25

диент формулы Шези, а следовательно, и скорость движения воды по поверхности.

Большая водопроницаемость и влагоемкость лесной под­ стилки, значительная порозность почвогрунтов под лесом, благодаря рыхлящему действию корневых систем, способству­ ют поглощению атмосферных осадков. Поэтому бесспорным является то, что лес сильно сокращает поверхностный (напоч­ венный) сток, переводя его во внутренний (внутрипочвенный). На этом явлении основано водоохранно-защитное значение леса. На песчаных почвах лес мало изменяет поверхностный сток.

Дискуссионным является вопрос, куда расходуется вода, поступившая в лесную почву? Одни исследователи утвержда­ ют, что вода из лесной почвы идет на пополнение грунтовых вод и питание рек, другие считают, что эта вода расходуется на суммарное испарение, не доходя до грунтовой воды. Повидимому, в разных природных условиях гидрологическая роль леса имеет свои особенности.

5. Величина и форма водосборной площади. При больших

площадях и удлиненных формах водосбора увеличивается длина пути стекающей воды и время ее сбегання. Поэтому, чем больше водосборная площадь, тем меньше поверхностный сток с единицы водосборной площади и равномернее его рас­ пределение в течение года. Реки с малыми водосборами ха­ рактеризуются неравномерным стоком. Здесь большие павод­ ки могут чередоваться с пересыханием рек в летние пе­ риоды.

6. -Озерность и заболоченность водосборов. Сточные озера

аккумулируют воду и регулируют внутригодовой ход стока. Озера уменьшают весеннее половодье, но не изменяют

суммарного годового стока.

Болота в гидрологическом отношении очень своеобразны, что объясняется большой влагоемкостыо торфа. Аккумули­ руя большое количество воды, болотные водосборы уменьша­ ют весенние и летние максимальные расходы воды в реках, не уменьшая объема половодья. Болота выравнивают внутри­ годовой ход стока.

Л. Д. Соколовский указывает, что средний сток с заболо­ ченных площадей, в условиях достаточного увлажнения, не меньше, чем с незаболоченных, и что болота не уменьшают ■меженный и минимальный сток.

А. Д. Дубах считает, что суммарный сток со сфагновых болот больше, а с низинных меньше, чем с других видов уго­ дий.

В условиях недостаточного увлажнения, как указывает Л. Д. Соколовский, озера и болота снижают величину стока за счет повышенного испарения. ,

26

7. Строительство гидротехнических сооружений — водо­

хранилищ, прудов, лиманов, плотин, шлюзов на реках и др.

.Эти сооружения позволяют регулировать сток, т. е. перерас­ пределять его в течение года. Задерживая сток, особенно во время паводков, гидротехнические сооружения дают возмож­ ность использовать в дальнейшем задержанную воду для во­ доснабжения, орошения, получения гидроэнергии и других целей. В настоящее время на всех крупных реках СССР про­ изводится регулирование стока с комплексным использова­ нием для различных целей народного хозяйства.

8. Лесомелиоративные мероприятия. Лесомелиоративные

насаждения уменьшают и регулируют сток. Эти насаждения в целях регулирования стока должны быть соответствующим образом расположены на территории и иметь определенные формы и конструкции.

9. Агротехнические мероприятия — создание мощного

окультуренного . пахотного слоя, снегозадержание, специаль­ ные приемы обработки почвы оказывают сильное влияние на сток.

Пахотный, окультуренный мощный слой почвы обладает большой влагоемкостыо и уменьшает поверхностный сток. Вспашка поперек склона, а также снегозадержание на полях ■обеспечивают большее впитывание воды, вследствие чего уменьшается поверхностный сток.

Влияние осушения на сток и водный баланс лесных зе­ мель. Исследования по этому вопросу, проводились в очень небольшом объеме и только на болотах сельскохозяйственного пользования. По данным гидрологического института, после осушения болот максимальный весенний сток уменьшается, норма годового стока почти не изменяется, бытовой и мини­ мальный сток увеличиваются.

Некоторые исследователи делают иные выводы. Например, профессор А. Д. Дубах указывал, что одно осушение болот может увеличивать годовой сток, а совместно с освоением, при высоких урожаях культур, осушение может уменьшать годовой сток и питание рек.

Эти противоречия объясняются тем, что на величину сто­ ка осушенных болот влияет много разных факторов. Напри­ мер, влияют все те же факторы, от которых-зависят расстоя­ ния между осушителями. Кроме того, сток с осушенных болот зависит от интенсивности осушения, вида использования осу­ шенной площади, величины суммарного испарения, видов вод­ ного питания, методов регулирования рек, величины осушае­ мой площади, расстояния болот до реки, рельефа и водопро­ ницаемости подстилающих торф грунтов, высотного положе­ ния болота и др.

27

Следовательно, в различных условиях осушение может поразному влиять на величину стока.

Сток с осушенных лесных земель почти не изучен, поэтому ниже приведены результаты исследований Б. В. Бабикова на стационарных лесных опытных участках в Тосненском районе Ленинградской области. Работы проводились на верховом и переходном болотах с сосновыми древостоями соответственно V и II классов бонитета. Верховое болото представлено слои­ стым слаборазложнвшимся, хорошо водопроницаемым торфом мощностью 0,4—0,5 м, подстилаемым плотным, слабоводопро­

ницаемым торфом.

Переходное болото сложено однородным по степени разло­ жения торфом. Осушение проведено открытыми каналами глубиной 0,9—1,1 м. Анализируемый срок наблюдений охва­

тывает 5-летний период (1967-—1972 гг.).

По даи.ным исследования, осушение болот в зоне достаточ­ ного увлажнения не уменьшает величину годового стока, а приводит к регулированию его. После осушения улучшается рост древостоя и увеличивается сомкнутость древесного по­ лога. Это приводит к изменению поступления осадков в поч­ ву. Так, сосновый древостой V класса возраста, V класса бо­ нитета, с сомкнутостью полога 0,35 задерживал на кронах в среднем 16% жидких осадков, а сосновый древостой такого же возраста, II класса бонитета, с сомкнутостью полога 0,65 задерживал'27% осадков (табл. 5).

Осадки, задержанные на кронах, испарялись, не достигая почвы, что уменьшало приходную часть водного баланса.

Влияет осушение и на расход почвенной влаги. В табл. 6 приведено внутригодовое распределение модулей стока на бо­ лотах с древостоями разной'продуктивности.

Из таблицы видно, что с увеличением интенсивности осу­ шения увеличивается сток по осушительной сети. Уменьшение расстояний между каналами с 205 до 65 м увеличило сток на

28

63%■ На интенсивно осушенных болотах летний сток более устойчив. На болотах, осушенных каналами, проведенными че­ рез 65 м, средняя за 5 лет продолжительность бессточного пе­ риода летом равнялась 20 дням, а при расстояниях 205 м —

48 дням.

Таблица 6

Внутригодовое распределение стока в сосняках V и II классов бонитета,

В сосняке с высокопроизводительным древостоем средний сток уменьшается, но распределяется в году равномернее. Здесь в, апреле сток меньше, а в мае и июне больше, чем в низкобонитетном сосняке с такими же расстояниями между каналами. Средняя продолжительность бессточного периода в сосняках II бонитета равна 14 дням. Следовательно, осуше­ ние болот способствует выравниванию стока в течение года!.

Увеличение стока с увеличением интенсивности осушения вызывается возросшей канализацией болотах и происходит за счёт снижения расхода, влаги на суммарное испарение .с поч^

29