Иллювиальные процессы как фактор водной эрозии в орошаемых почвах Заволжья

Ирригация, развернутая во второй половине ХХ века, значительно изменила водный баланс агроландшафтов поволжских областей. На сельскохозяйственное поле (объект орошения) добавочно подавалось 30−60% от естественного поступления влаги, значительная часть которой шла на питание грунтовых вод. Это привело к изменению водно-солевого баланса и условий почвообразования, что послужило причиной негативных изменений мелиоративного состояния орошаемых земель — подъему уровня грунтовых вод, вторичному засолению, осолонцеванию.

Неблагоприятные мелиоративные процессы, развивающихся на орошаемых землях в результате использования неадаптивных почвенно-мелиоративным условиям систем поливов, ошибок при проектировании или эксплуатации оросительных систем, а также их несвоевременной реконструкции могут привести к изменению коэффициентов фильтрации и функций влагопроводности почв. Эти изменения фильтрационных свойств, в свою очередь могут привести к усиленному питанию грунтовых вод и развитию гидроморфного водного режима. Водный режим играет важную роль в генезисе различных типов и подтипов почв, формировании их генетических горизонтов, физических, химических, биологических и агрохимических свойств. Кроме того, он, определяя миграцию солей, питательных элементов, органических и неорганических коллоидов, токсикантов, обусловливает воздушный, солевой, питательный и тепловой режимы.

Подвижность тонкодисперсных частиц в почвенном профиле и их устойчивость к различным воздействиям являются важнейшим показателем для различных процессов почвообразования: оподзоливания, лессиважа, оглеения, осолонцевания, осолодения. Под воздействием орошения эта подвижность может возрастать, становясь причиной одного из видов внутрипочвенной водной эрозии — иллювиального процесса. Как правило, диспергирование почвенных агрегатов и перемещение илистых частиц в почвенном профиле связано с изменениями в составе почвенно-поглощающнго комплекса и проявляется на солонцах и осолонцованных почвах.

Несмотря на сокращение площадей орошаемых земель в Поволжье, при котором из числа орошаемых исключались в первую очередь неблагоприятные в мелиоративном отношении земли, доля земель с признаками солонцеватости остается значительной [1].

водный эрозия иллювиальный почвенный.

Рисунок 1 — Орошаемые земли с различной выраженностью солонцеватости (тыс. га), в общем составе орошаемых земель Саратовской области в 1993 и 2006 годах отражены на вырезанных секторах. Эти сектора включают также земли, неблагополучные по двум или трем факторам, включая осолонцевание. Площадь орошаемых земель в Саратовской области с 1993 до 2006 сократилась с 371,5 тыс. га до 257,3 тыс.га.

Большинство исследователей склоняется к концепции, высказанной К. К. Гедройцем [2], согласно которой миграция илистых частиц по профилю происходит без их разрушения, в виде суспензий и коллоидных растворов, а не в виде истинных растворов. Убедительные доказательства наличия передвижения илистых частиц в почвах, а также методика диагностики процессов оподзоливания, лессиважа и оглеения даны в работах [3]-[6].

Экспериментальные работы по изучению передвижения тонкодисперсных частиц проводились С. В. Ковеня, М. К. Мельниковой [7, 8] в лабораторных условиях на монолитах изотопными и другими методами. Из зарубежных работ следует отметить статьи Х. Френкеля с соавторами [9, 10], в которых рассматривается связь перераспределения дисперсных частиц в почвенном профиле с изменением фильтрационных свойств почвогрунта. В этих статьях, а также в работе [11] исследовано влияние валентности поглощенных катионов и минерализации раствора на процессы набухания и диспергирования глинистых агрегатов.

Иллювиальные процессы в условиях орошения на северокавказских черноземах были отмечены в работе [12]. В Заволжье процессы перемещения илистых частиц в почвенном профиле отмечены в почвах лиманов [13−14] и на орошаемых солонцах и каштановых почвах.

Иллювиальные процессы были отмечены на орошаемых почвах в долине реки Волги (Энгельсская оросительная система). Образцы почвы осолоделого солонца брались в 1972 г. (до начала орошения) и в 1984 г. — 12 лет орошения. Данные мехсостава показали увеличение доли илистых частиц в В-горизонте (28−36 см) с 34,2% до 40%.

На рисунке приведено распределение илистых частиц (<0,001 мм) в почвенном профиле по данным микроагрегатного анализа на солонцовых почвах долины реки Волги. Данные получены совместно с В. М. Пряхиной (ВолжНИИГиМ). Неорошаемая почва может служить аналогом первоначального состояния орошаемого участка до начала орошения. Следует отметить, что уменьшение доли илистой фракции в верхнем слое (0−20 см) значительно меньше, чем увеличение этой доли в нижележащих слоях. В верхнем слое происходит разрушение почвенных агрегатов, и именно из разрушенных агрегатов илистые частицы выносятся в нижележащие слои. Аналогичное распределение мелкодисперсных частиц отмечено в экспериментах [7−10].

Рисунок 2 — Распределение илистых частиц в почвенном профиле орошаемого солонцового участка и соседнего неорошаемого. Долина реки Волги, Приволжская ОС (северный массив).

Для прогноза возможности возникновения иллювиального горизонта, его местоположения и предполагаемых характеристик (дисперсности, пористости, коэффициента фильтрации) необходима модель переноса твердой фазы почвогрунта. Не останавливаясь на вопросах диспергирования агрегатов почвогрунта и осаждения частиц, рассмотрим движения влаги совместно с взвешенными в ней частицами. Почвенные воды, содержащие взвесь илистых частиц, можно уподобить глинистой суспензии весьма малой концентрации и использовать модель вязкопластичной жидкости, применявшуюся для описания движения подобных растворов в трубах и каналах [15].

В этой модели вязкость и начальный (предельный) градиент жидкости линейно зависят от концентрации в ней илистых частиц, которая меняется как по времени, так и по координате. Поскольку минералогический состав илистых частиц можно считать достаточно однородным с плотностью, удобнее рассматривать зависимости вязкость и начального градиента не от концентрации частиц, а от плотности слабоконцентрированной суспензии, то есть воды с взвешенными в ней илистыми частицами. Плотность суспензии связана с объемной концентрацией частиц в почвенных водах с соотношением.

(1).

где — плотность суспензии;

— плотность воды.

При малой концентрации дисперсных частиц с это соотношение принимает вид.

.(2).

В таком случае движение слабоконцентрированной суспензии в пористой среде при увеличении количества дисперсных частиц описывается системой уравнений, в которую входят вязкость и начальный градиент, зависящие от плотности слабоконцентрированной суспензии в данной точке и в данный момент времени. По этой причине удобнее использовать в уравнении не коэффициент фильтрации, а проницаемость, которая связана с коэффициентом фильтрации соотношением и имеет размерность м2. Соответственно, в уравнении движения используется не безразмерный градиент напора, а градиент давления, имеющий размерность Н/м2.

Уравнение движения слабоконцентрированной суспензии имеет вид.

.(3).

где — скорость движения жидкости, м/с.

— плотность слабоконцентрированной суспензии, то есть почвенной влаги с взвешенными в ней мелкодисперсными частицами, кг/м3;

— вязкость слабоконцентрированной суспензии, Па· с;

1 пуаз = 0,1 Па· с = 0,1 Н· с/ м2;

— проницаемость почвы, м2 или дарси, 1 дарси = 1· 10−12 м2;

— начальный градиент, кг/(с2· м2).

— время, с;

— вертикальная координата, м;

— внешнее давление, Н/м2.

· · - гидростатический напор.

Уравнение баланса должно включать в себя функцию источника, описывающую интенсивность выделения мелкодисперсных частиц в поток жидкости. Эта функция может быть определена из кинетики диспергирования.

(4).

откуда.

(5).

где — безразмерный параметр;

— выделение частиц в первоначальный момент.

— время, с которого начинается вынос частиц (время, когда до точки доходит фронт с заданной минерализацией).

Уравнение баланса имеет вид.

.(6).

где — пористость, доли единицы.

Кроме того, модель должна содержать зависимость вязкости и начального градиента от плотности слабоконцентрированной суспензии :

; (7).

.(8).

где, и — плотность, вязкость и начальный градиент воды;

 — безразмерные эмпирические параметры.

Вязкость воды равна 0,1 308 Па· с при температуре 10С. Начальный градиент воды можно считать равным нулю.

Таким образом, модель перемещения илистых частиц в почве, кроме проницаемости (вычисляемой на основе коэффициента фильтрации) и пористости, содержит эмпирические параметры, и .

Система уравнений (3)-(7) допускает решение в характеристиках.

Характеристики представляют собой следующую систему обыкновенных дифференциальных уравнений:

(9).

В этом случае не является законом движения жидкости или дисперсных частиц.

Интегрируя (9), получаем уравнение характеристики.

(10).

При этом плотность слабоконцентрированной суспензии вдоль характеристики выражается соотношением.

.(11).

Соотношения (10) и (11) могут быть использованы для определения параметров модели путем обработки лабораторного или полевого эксперимента. В этом эксперименте должны быть определены скорость движения и объем протекшей через исследуемый слой жидкости, а также послойное распределение илистых частиц до и после эксперимента.

Пронько, Н. А. Влияние ирригационного техногенеза на водно-солевой режим темно-каштановых почв и формированин растительных сообществ в Саратовском Заволжье / Н. А. Пронько, А. С. Фалькович, В. С. Бурунова, Е. Н. Шевченко. — Саратов: Изд-во Саратовского ГАУ, 2006. — 120 с.

Гедройц, К. К. Коллоидальная химия в вопросах почвоведения / К. К. Гедройц // Избранные научные труды. — М.: Наука, 1975. — С. 50−107.

Горбунов, Н. И. О передвижении илистых и коллоидных частиц в почвах / Н. И. Горбунов // Почвоведение. — 1961. — № 7. — С. 13−28.

Горбунов, Н. И. Почвенные коллоиды и их значение для плодородия / Н. И Горбунов. — М.: Наука, 1967. — 160 с.

Дюшофур, Ф. Основы почвоведения / Ф. Дюшофур // Эволюция почв. — М.: Прогресс, 1970. — 592 с.

Золотарева, Б. Н. Гидрофильные коллоиды и почвообразование / Б. Н. Золотарева. — М.: Наука, 1982. — 60 с.

Ковеня, С. В. Исследование роли механических сил и геометрических условий в перемещении высокодисперсных частиц в почвенных колонках / С. В. Ковеня, М. К. Мельникова, А. С. Фрид // Почвоведение. 1972. — № 10. — С. 133−140.

Мельникова, М. К. Влияние физико-химических свойств почвы на перемещение глинистых суспензий по профилю / М. К. Мельникова, С. В. Ковеня // Почвоведение. 1974. — № 11. — С. 45−50.

Frenkel, H. Effect of clay type and content, exchangeable sodium percentage and electrolyte concentration on clay dispersion and soil hydraulic conductivity / H. Frenkel, J. Goertzen, J. D. Rhoades // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1978. — V. 42. — N. 1. — P. 32−39.

Frenkel, H. Effects of dispersion and swelling on soil hydraulic conductivity / H. Frenkel, J. D. Rhoades // Journal of Testing and Evaluation. 1978. — V. 6. — N. 1. — P. 60−65.

Norrish, K. The Swelling of montmorillonite / K. Norrish // Discuss. of the Faraday Soc. Coagulation and Flocculation. 1954. — N. 18. — P. 120−134.

Крыщенко, В. С. Изменение минеральной части предкавказских террасовых черноземов при орошении / В. С. Крыщенко, А. Я. Вигутова, Э. Ф. Рязанова // Почвоведение. 1983. — № 8. — С. 90−99.

Рыбина, В. В. Водно-физические свойства лиманных почв / В. В. Рыбина // Бюлл. Почв. ин-та им. В. В. Докучаева. — М., 1974. — Вып. VII. — С. 104−121.

Рыбина, В. В. Физические свойства и водный режим почв орошаемых лиманов Заволжья / В. В. Рыбина // Физические условия почвенного плодородия. Науч. труды Почв. ин-та им. В. В. Докучаева. — М., 1978.

Мирзаджанзаде, А. Х. Гидравлика глинистых и цементных растворов / А. Х. Мирзаджанзаде, А. А. Мирзоян, Г. М. Гевинян, М. К. Сеид-Рза. — М.: Недра, 1966.