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

вы, поскольку при осушении грунтовые воды понижаются, за­ трудняя приток влаги к поверхности почвы. В табл. 7 приве­ дены элементы водного баланса.

Сопоставляя испарение, находим, что суммарный расход, влаги на испарение и коэффициент стока в сосняках высоко­ го, II класса бонитета, близок к этим величинам на слабоосушенном участке с низким, V классом бонитета. В низкобонитетных древостоях влага расходуется в основном на физиче­ ское испарение, а в высокобонитетных — на транспирациюСледовательно, осушение лесных земель позволяет более про­ дуктивно использовать почвенную влагу, уменьшая ее сток к увеличивая транспирацию.

Внутригодовое распределение стока. Сток по месяцам к периодам внутри года распределяется неравномерно. Величи-, ны стока по периодам зависят от географической зоны.

В табл. 8 приведено внутригодовое распределение стока.

Таблица 8'

Распределение стока по сезонам

(Апполов, 1963)

Сток в процентах от годового

'Зона

Из таблицы видно, что наибольший сток наблюдается в ве­ сенний период (IV—V). Доля весеннего стока увеличивается

30

от зоны тундры до пустыни. В пустынях вообще весь сток приходится на весну.

В горных районах формирование стока определяется осо­ быми причинами. Здесь наибольший сток наблюдается при таянии снега в горах. Часто в этих условиях наблюдаются два пика паводка — при таянии снегов в предгорьях и при тая­ нии горных снегов и ледников. По характеру распределения внутригодового стока реки делят на 3 основных типа:

1.Реки с преобладающим весенним половодьем (большая часть зон).

2.Реки с весенним половодьем и летними паводками (предгорья Кавказа, Средняя Азия, Карпаты).

3.Реки с преобладающими летними паводками (реки вы­

сокогорий и Дальнего Востока, характеризующегося муссон­ ными дождями).

Гидрологический режим рек. Этот режим характеризуется уровнями иЛи горизонтами воды, т. е. высотой стояния по­ верхности воды, и расходами.

Рис. 12. Свайный водомерный пост

Уровни воды, скорости и расходы сильно изменяются в течение года. Наблюдения за горизонтами воды проводятся на водомерных постах. Простейшие водомерные посты устраи­ вают двух видов: реечные и свайные.

Реечный пост представляет собой рейку с делениями, при­ крепленную к свае или к устою моста. Нуль рейки (поста) располагают так, чтобы он был ниже самого низкого ожидае­ мого горизонта воды. По отношению к нулю каждый день из­ меряют высоту горизонта воды.

Нивелировкой определяют отметку нуля поста.

При пологих берегах, большой амплитуде колебаний гори­ зонтов, ледоходе и в некоторых других случаях применяют свайные посты.

Свайный пост состоит из ряда свай, забитых в дно и бе­ рег русла по прямой линии, перпендикулярной к общему на­ правлению течения реки (рис. 12). Число свай должно быть достаточно для удобного измерения всех горизонтов воды — от самого низкого до самого высокого. Самая низкая свая за-

31

бивается немного ниже самого низкого горизонта воды, а са­ мая высокая свая — немного ниже самого высокого уровня воды. Разность превышений двух смежных свай должна со­ ставлять 0,6—0,8 м (до 1 м ).

Сваи берутся обычно деревянные (лиственница, сосна, дуб,) диаметром 20—30 см и забиваются на глубину не менее 1,5 м (не менее 0,5 м ниже глубины промерзания). После за­

бивки свай головки их спиливают горизонтально и не выше 15—20 см от поверхности земли. В середину спиленного тор­

ца забивают гвоздь с широкой шляпкой, все сваи пронумеро­ вывают и связывают нивелировкой с постоянным репером.

Рис. 13. График колебаний уровней воды в реке

Для определения горизонта воды пользуются переносной рейкой. Прибавляя (или вычитая, если горизонт воды ниже сваи) показания рейки к отметке сваи, получают отметку го­ ризонта воды.

Для поста выбирают прямолинейный участок реки с-проч­ ными берегами, вне действия подпора. Расстояние Z, на кото-

ро^распространяется подпор, можно вычислить по формуде

32

формы. Затем составляют таблицу ежедневных уровней и по ней строят хронологический график колебаний уровня воды,

вкотором по горизонтальной оси располагают месяцы и дни,

апо вертикальной — соответствующие уровни воды (рис. 13).

На один график наносят наблюдения уровней за несколько лет. Этот график отображает колебание уровней за каждый день. По этим данным составляют'графику частоты и обеспе­ ченности горизонта. Для этого уровни разбиваются на интер­ валы 10—20—50 см, затем определяется число дней стояния

уровней в каждом интервале. Откладывая это количество дней от середины каждого интервала (рис. 14), получают гра­ фик частоты, который, таким образом, показывает количестводней, в течение которых уровни воды находились в пределах того или иного интервала. Путем последовательного суммиро­ вания числа дней и откладывания их от нижнего предела ин­ тервалов получают график обеспеченности, показывающий число дней, в течение которых уровни воды находились не ниже того или иного интервала. Наблюдения за колебаниями горизонтов воды используются для решения различного рода практических вопросов: для определения площади затопляе­ мых земель, для определения сплавного периода и т. д.

Определение скоростей и расходов воды. Скорость и рас­ ход воды на водомерных постах определяются поплавками, вертушками и другими приборами. '

Поплавками обычно служат деревянные кружки диамет­ ром 10—20 см, толщиной 5—6 см, могут быть использованы и

бутылки, частично заполненные водой.

При определении скоростей и расходов воды поплавками на водотоке выбирается прямолинейный не заросший участок русла без подпора воды. На выбранном участке разбиваются три створа. Расстояние между крайними створами должно равняться примерно трех-четырехкратной ширине реки. Кро­ ме того, поплавок должен проходить это расстояние не менее чем за 25 сек. Выше верхнего створа бросают штук 10 по­

плавков на середину потока, где наибольшая скорость. Секун­ домером засекают время прохождения каждого поплавка че­ рез верхний, средний и ниж­

ний створы. ' После этого Верхний. Средний Нижний производятся детальные про­

меры живых сечений на створах. Для этого по тросу, натянутому поперек реки,, делают промеры глубин во­ ды через определенные рас­ стояния (0,1—1 м и более);

го сечения створа определяется как сумма площадей элемен­ тарных фигур — трапеций и треугольников (рис. 15), а смо­ ченный периметр — как сумма гипотенуз прямоугольных тре­ угольников. Средние значения живого сечения со и смоченного периметра Р определяются по формулам:

Для определения скорости из десяти брошенных поплав­ ков выбирают два, которые прошли расстояние между край­ ними створами наиболее быстро, и определяют поверхност-

34

иую максимальную скорость г>ПсшПереход от упов к средней скорости течения v осуществляется через переходный коэф-

фициент К,:

где С — коэффициент формулы Шези.

Расход воды определяется по формуле

Рис. 16. Гидрометрическая вертушка:

1 —лопасть; 2 — корпус; 3 — звонок; 4 — штанга; 5 — поворотный механизм; 6 — хвостовое оперение

Более точно скорости определяются вертушками (рис. 16). Вертушка состоит из лопасти, корпуса, специального меха­ низма с электрическим звонком, штанги, на которой она опу­ скается в воду, и хвостового оперения. Вертушка погружается на штанге в воду, через определенное количество оборотов лопастей (обычно через 50) происходит замыкание электри­ ческой цепи и раздается звонок. Зная число оборотов в секун­ ду, по специальной тарировочной кривой определяют ско­ рость.

По измеренным горизонтам и вычисленным расходам на водомерных постах строят кривые расходов, которые для большинства рек имеют параболическую форму (рис. 17). Кривая расходов позволяет по уровням воды сразу опреде­ лять расход. Эта кривая периодически проверяется, так как с изменением характера русла связь расходов с горизонтами может изменяться.

Твердый сток. Вода, выпадающая на землю в виде осад­ ков и стекающая по склонам, производит смыв и размыв по­ верхности суши. Продукты смыва и размыва попадают в реки. Здесь они смешиваются с частицами от размыва дна и бере­ гов русла.,Твердые частицы грунта, содержащиеся в речной воде, переносимые ею и вновь отлагаемые в русле, называ-

ются наносами. Общее количество наносов, проносимых через живое сечение реки за определенный период, называется твердым стоком. Другими словами, твердый сток — это сток взвешенных и донных наносов.

Взвешенные наносы — это наносы, поднятые водой и пе­ реносимые во взвешенном состоянии. Донные (или влекомые) наносы — это наносы, перекатываемые или передвигаемые по дну. Твердый сток рек составляют главным образом взвешен­ ные наносы.

На величину стока наносов влияют в основном следующие факторы:

1.Уклон поверхности водосбора.

2.Степень размываемости водосбора и русла реки. Расти­

тельность, особенно лесная, препятствует смыву.

3. Величины и степени равномерности стока воды. Чем больше интенсивный сток воды, тем больше и твердый сток. Наиболее благоприятные условия для твердого стока возни­ кают при половодьях и интенсивных ливнях. Степень насы­ щенности воды наносами (твердыми частицами) называется

жащему эти наносы.

Для определения мутности воды берут пробы (бутылками, батометрами) с различной глубины. Взятые пробы, объемом 3—5 л, отфильтровываются, просушиваются и взвешиваются.

36

Зная мутность потока и его расход, расход взвешенных наносов определяют по формуле

носимых через живое сечение в 1 сек), г/сек\ Аср — средняя мутность воды в реке, г/м3;

Q — расход воды, м3/сек.

Зная расход наносов в различное время года, можно полу­ чить сток взвешенных наносов за год, а затем и средний смыв с 1 га водосбора.

На южных реках СССР годовой смыв с 1 га водосборной

площади варьирует от 0,0.8 до 8,75 г, а высота смыва — от 0,003 мм до 0,35 мм в год. Мутность меженная колеблется от

0 до 2000 г/м3, в половодье — от 2000 до 120 000 г/м3.

При смыве сносится плодородный слой почвы, снижается урожайность, заиливаются водоемы, ухудшаются условия для рыборазведения, для работы турбин (истирание лопаток). Для борьбы со смывом и размывом применяется целый ряд

тах вода может быть в различных состояниях.

1. Парообразная вода — содержится в порах почв вместе с воздухом. Может передвигаться от мест с большей упруго­ стью водяного пара в места с меньшей упругостью. Зимой эта вода передвигается снизу вверх, увлажняя верхние слои поч­ вы, а летом передвижение-происходит в обратном направле­

ния водяных паров из воздуха, образуя тонкую пленку вокруг почвенных частиц. Прочно удерживается твердыми частицами почвы. Растениям недоступна. Может передвигаться только при переходе ее в парообразное состояние.

3.Пленочная вода — удерживается частицами почвы бла­ годаря молекулярным силам. Эта вода передвигается от более толстых пленок к тонким и“для растений труднодоступна.

4.Капиллярная вода — заполняет тонкие поры почвогрунтов и находится под действием поверхностного натяжения и силы тяжести. Может передвигаться и передавать гидроста­ тическое давление. Различают подвешённую и подпертую ка­ пиллярную воду. Первая удерживается верхними слоями поч­ вы и не связана с грунтовой водой, обычно она образуется за счет осадков и поливов. Вторая образуется над зеркалом

37

грунтовых вод, а толща почвогрунта с этой водой называется

капиллярной каймой.

Скорость капиллярного поднятия тем больше, чем круп­ нее поры, а высота подъема тем больше, чем тоньше поры. Поэтому наиболее высокий капиллярный подъем происходит в глинах, наименьший — в песках, что подтверждается следу­ ющими данными:

Капиллярная вода доступна для растений.

5. Гравитационная вода — заполняет все поры почвогрунтов и находится под действием силы тяжести. Гравитацион­ ную воду иногда называют грунтовой водой. По определению А. Ф. Лебедева, грунтовой водой называется та вода, которая обладает способностью к вытеканию из грунтов в естествен­ ных или искусственных разрезах. Грунтовую воду верхних слоев почвы называют иногда почвенно-грунтовой, а также верховодкой. Гравитационная вода, хотя и доступна для ра­ стений, но сильно ограничивает содержание воздуха в почве.

Влагоемкость почв. Различают следующие виды влагоемкости.

1. Полная влагоемкость — количество воды в почве, при котором все поры заполнены водой. Наблюдается обычно в горизонте грунтовых вод.

2. Предельная полевая влагоемкость — такое максималь­ ное содержание воды, которое удерживается почвой без оте­ кания вниз, т. е. после стекания гравитационной воды.

3. Капиллярная влагоемкость — количество воды, удержи­ ваемой почвой, расположенной непорредственно над зеркалом грунтовых вод. Для одних и тех же почв капиллярная влаго­ емкость зависит от расстояния над уровнем грунтовых вод; чем больше это расстояние, тем меньше влагоемкость.

Водопроницаемость почв. Под водопроницаемостью пони­ мают свойство почвы и грунта проводить воду. От водопрони­ цаемости почвы зависит действие осушительных систем, ре­ жим орошения, дебит колодцев и пр.

Водопроницаемость почвы зависит от величины порозности и размера пор. Для разных почв и грунтов водопроницае­ мость сильно варьирует. В сухую почву вода поступает срав­

38

нительно быстро, а затем скорость поступления воды умень­ шается до некоторой более или менее постоянной величины. Это происходит потому, что в сухую почву вода поступает под действием трех сил: молекулярных, капиллярных и гравита­ ционных, по мере повышения влажности почвы прекращается действие сначала молекулярных, а затем и капиллярных сил, и поступление воды в почву происходит только под действием гравитационных сил.

Следовательно, водопроницаемость почвы (и грунта) со­ стоит из двух явлений: впитывания и фильтрации. Под дей­ ствием молекулярных и капиллярных сил образуется пленоч­ ная и капиллярная влага, т. е. происходит процесс впитывания воды в почву; под действием гравитационных сил происходит фильтрация воды через крупные поры почв, т. е. движение грунтовой (гравитационной) воды.

Рис. 18. Фильтрация воды через слой грунта А

Движение грунтовых вод. Закон Дарси. Грунтовая вода при движении образует поток грунтовой воды. Это движение ламинарное и подчиняется линейному закону фильтрации (обычно называемому законом Дарси). Сущность этого зако­ на можно показать с помощью установки, приведенной на рис. 18. Горизонтальная труба А заполнена песком;.под дей­ ствием разности напоров к\—/г2 происходит фильтрация воды

через песок. При этом напоры поддерживаются постоянными,' но Л2 меньше hi, т. е. происходит потеря напора и гидравли­

ческий уклон Сбудет равен

где I — длина трубы, наполненной песком.

Учитывая, что скорости фильтрации очень малы, уклон гидравлический равен уклону пьезометрическому. Обозначив

39