Основная часть. 
Современные проблемы управления поверхностным стоком

Нормальная эрозия почвы — это объективный процесс. Она протекает независимо от человека, наблюдается повсеместно под лесной и травянистой растительностью, проявляется слабо. Происходящие при этом потери почвы и ее плодородия (гумуса) полностью восстанавливаются благодаря почвообразовательным процессам. В случае если разрушение почвы происходит значительно быстрее, чем ее восстановление в процессе почвообразования, имеет место ускоренная водная эрозия. В результате наносится большой вред плодородию почвы.

В литературе известны предельно допустимые величины смыва почвы для различных ее типов, природно-хозяйственных и климатических условий [3, с. 151]. Исходя из величины среднегодового смыва почвы, их значения изменяются от 0,2 до 11,5 т/га в год. При этом они на один порядок и более превышают темп почвообразования.

Также отмечается [4, с. 222], что наиболее приемлемы для практического использования данные, рекомендуемые Г. П. Сурмачем и составляющие 0,05−0,2 мм/год при плотности сложения почвы 1,0 т/м³ табл. 1.

Таблица 1. Среднегодовой предельно допустимый смыв почвы.

Известен метод расчета нормы плоскостной водной эрозии почвы [5, с.37]: допустимые среднемноголетние потери почвы (норму [М]) рекомендуют определять по формуле:

[М] =е h / 100 К_н Т (мм/год), (1).

где h — мощность гумусового горизонта почвы, мм; е — точность, с которой измеряют мощность гумусового горизонта, %; Т — срок (лет), в течение которого гарантируется сохранение имеющейся мощности гумусового горизонта; К_н — коэффициент надежности.

Значение К_н определяется вероятностью того, что за время Т интенсивность эрозионных процессов не превысит [М]. При расчетах принимают Т = 50 лет. Считают, что К_н = 1,4 обеспечивает с вероятностью 95%, что за 50 лет среднемноголетняя интенсивность почвы не превысит допустимого значения. Величину е рекомендуется принимать равной 5%.

Известно, что для большинства почв одним из основных показателей их потенциального плодородия (при наличии и обеспечении и других факторов жизни растений) выступает содержание в них гумуса — одного из важнейших факторов, определяющих и противоэрозионную стойкость почв. Потоки ливневых и талых вод отчуждают из гумусового горизонта (пахотного слоя) склоновых земель в первую очередь тонкодисперсные гумусированные частицы, обогащенные гуминовыми кислотами. В результате, наряду с потерей гумуса, трансформируется и его состав в сторону ухудшения. Потери гумуса в пахотном слое за 10 лет (в относительных процентах) являются критерием экологической оценки состояния почвы: при потере до 1% - экологическая ситуация удовлетворительная, 10−20% - чрезвычайная и более 25% - экологическое бедствие.

Как отмечено выше, в результате действия многовековой водной эрозии почвы облегчается гранулометрический состав склоновых земель, с каждым годом продолжает снижаться содержание в них гумуса.

Развитие эрозионных процессов на склонах имеет своим следствием образование комплекса смытых и намытых почв. От «нормальных» почв они отличаются рядом свойств, требующих учета при хозяйственном использовании почв. Для смытых почв характерно пониженное по сравнению с «нормой» содержание гумуса (табл. 2) и, как отмечено выше, ухудшение его качества. Намытые почвы классифицируют по мощности наносов: слабо намытые — до 20 см, средне намытые — 20−40 и сильно намытые — более 40 см.

Таблица 2. Классификация почв по степени смытости (по М.Н. Заславскому).

Значительная часть смываемой почвы отлагается по пути на нижних частях склонов, в балках, на пойме и на лугах. В большие реки попадает лишь около 1% смываемого материала, а до малых рек и водоемов доходит 3−5%. С малых водосборов (5−10 га) потери почвы в десятки раз больше, чем с водосборов площадью более 10 000 га. Разработана номограмма [4, с. 225] для определения нормы плоскостной водной эрозии почв, она представлена на рисунке.

Рис. Номограмма для определения нормы плоскостной водной эрозии почв: h и d — соответственно средневзвешенные по севообороту мощность гумусового горизонта (пахотного слоя) в мм и плотность скелета (объемная масса) в т/м³; К — коэффициент, равный отношению содержания гумуса в приводораздельной «равновесной» почве с нормальным полноразвитым несмытым профилем к содержанию гумуса в почве склона, для которого определяется [L] [4, с. 228]; [М] - в т/(га год)

Номограмма позволяет с учетом ротации севооборота, темпа почвообразования и расширенного воспроизводства плодородия почвы в каждом конкретном случае определить норму плоскостной водной эрозии почвы с небольшими затратами и точностью, соответствующей практически достижимой точности получения исходных данных. Это в конечном счете обеспечит и более объективную оценку эффективности того или иного противоэрозионного приема.

Основным противоэрозионным приемом является регулирование поверхностного стока при помощи мелиоративных устройств и мероприятий.

Поверхностный сток можно определить путем непосредственных измерений и рассчитать на основании метеорологических данных.

Продолжительность водообразования по Тумасу определяется графически в зависимости от соотношения k'/H_p (где k' - интенсивность впитывания, H_p — максимальные суточные осадки).

Для расчета среднего модуля для периода весеннего половодья А. В. Изопайтис рекомендует следующую зависимость:

q₀=f (f_л, H', f_п, f_д, F, k), (2).

где f_л — площадь, занятая лугами и пастбищами, % площади водосбора; H' - относительная разница между средними отметками поверхности земли по периметру водосбора и оси основного водотока (средняя глубина вреза водотока), м; f_п — площадь легких супесчаных и песчаных почв, %; f_д — площадь, занятая дорогами, пастбищами, %; F — площадь, осушенная закрытым дренажем, га; k — коэффициент, зависящий от количества и распределения осадков и других условий.

Применяется также другой способ определения расчетного поверхностного стока по значениям модулей максимальных суточных дождевых осадков расчетной 10%-ной обеспеченности [6, с. 205]. Эти осадки, согласно агротехническим требованиям, в вегетационный период должны быть сброшены из пахотного слоя в течение одних суток. Расчетный модуль поверхностного стока для данных почвенных и рельефных условий определяется путем умножения упомянутых модулей осадков на соответствующий коэффициент поверхностного стока (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициент поверхностного стока для минеральных почв.

Предлагаемая методика определения расчетного поверхностного стока разработана для небольших дренажных систем.

Наиболее важное значение для проектирования и эксплуатации мелиоративных систем имеет объем стока за конкретные паводки и половодья, который по картам изолиний стока не может быть определен. Основными факторами формирования стока в период паводков и весенних половодий являются: атмосферные осадки (снеготаяние), впитывающая способность почвы, зависящая от характера увлажнения и ее льдистости, водно-физические свойства почвогрунтов, уклон поверхности, испарение с поверхности почвы и воды и прочее. На формирование стока оказывают также влияние агротехнические и мелиоративные мероприятия.

На основании теоретических исследований и экспериментальных данных [6, с. 206] установлена зависимость:

I/X = (d_w/г)^z, (3).

где I — потери стока на инфильтрацию в период паводка или половодья, мм; X — атмосферные осадки в период паводков и запасы воды в снеге плюс атмосферные осадки в период половодья, мм; d_w — дефицит влаги в верхнем слое почвогрунтов, мм; г — действующая пористость почвогрунтов; z — показатель степени. поверхностный сток сельскохозяйственная земля Расчетные слои почвы при вычислении компонентов d_w и г должны быть одинаковыми. Дефицит влаги в почвогрунте вычисляется как разность между полной влагоемкостью W_пв и фактической влажностью W этого слоя:

d_w = W_пв — W. (4).

Действующая пористость почвогрунтов вычисляется как разность между полной влагоемкостью W_пв и максимальной гигроскопичностью W_мг:

г = W_пв — W_мг. (5).

Решая уравнение (3) совместно с уравнением водного баланса периода паводка или половодья, а также в период стока вовремя полива (т. е. поливного стока), выраженное в безразмерной форме:

1 =I/Х + Yо /X, (6).

получим формулу:

1 — Yо/Х =I /X = (d_w / г)^z (7).

или 1 — Yо/Х = (d_w / г)^z. Отсюда:

Yо = Х [1 — (d_w / г)^z]. (8).

Для всего периода половодья, паводка или поливного стока:

Yо = Y_П + E+?u_пов, (9).

где Y_П — поверхностный сток; Е — испарение; ?u_пов — аккумуляция влаги на поверхности.

Из уравнений (8) и (9) получим:

Y_П = X [1 — (d_w/ г)^z] - Е — ?u_пов. (10).

Коэффициент стока б = Y_П /Х, исходя из зависимости (10), можно определить по формуле:

б = [1 — (d_w / г)^z] - (Е — ?u_пов)/Х. (11).

Параметр z зависит от уклона i и определяется по формуле [6, с. 206]:

(12).

Для склонов умеренной крутизны и супесчаных почв z = 2,0, для суглинистых z = 1,0, для торфяников z? 0,5. Потери на инфильтрацию при Е = ?u_пов = 0 могут быть выражены следующим уравнением:

1= Х (1-Y/Х) (12).

или.

I= X {1-[1-(d_w / г)]^z}. (13).

Приведенные уравнения справедливы в условиях 0? d_w? г [6, с. 206]. При высоком начальном увлажнении почвы, когда d_w >0, основная часть выпадающих осадков расходуется на заполнение бессточных понижений и на поверхностный сток. В противоположном случае, при большом иссушении почвы, когда d_w > г, осадки полностью расходуются на заполнение свободных пор в почве, в связи с чем аккумулирующие емкости не заполняются и поверхностный сток отсутствует. При определении стока по приведенным формулам с дренированных полей и водосборов в формулу (10) вводится поправка, равная для супесчаных и суглинистых почв 0,3−0,5. При высоком увлажнении, близком к НВ, и глубоком промерзании (около 100 см) почвы перед началом снеготаяния, способствующем формированию льдистости (цементации) ее, первые порции талой воды (поступившие в мерзлую почву) превращаются в лед, закупоривая свободные поры. При этом наступает временная водонепроницаемость почвы. В этих случаях при использовании формул (10) и (11) отношение дефицита влагозапаса к действующей пористости d_w / г следует принимать равным нулю. Тогда сток половодья можно вычислять по формуле:

Y_П = X — E — ?u_пов. (14).

Зная объем поверхностного стока, выбирают мероприятия для его организации и отвода поверхностных вод.

В комплекс сооружений и мероприятий для организации стока и отвода поверхностных вод входят [7, с. 102]:

• 1. Ложбины и воронки стока, колодцы-поглотители, закрытые собиратели с фильтрующей засыпкой траншей, с установкой колонок-поглотителей или засыпкой траншей местами хорошо фильтрующим материалом (для отвода воды из замкнутых понижений в проводящую сеть) или водоемы-копани.
• 2. Водоемы-копани (для аккумуляции почвенного и дренажного стока при невозможности или экономической нецелесообразности строительства на объекте открытой проводящей сети).
• 3. Планировка поверхности мелиорируемых земель бульдозером и длиннобазовым планировщиком (для предотвращения застаивания поверхностных вод в понижениях местности).
• 4. Глубокое рыхление почв среднего и тяжелого гранулометрического состава (для улучшения водно-физических свойств и водно-воздушного режима этих почв).

Ложбины стока прокладываются по наиболее низким элементам рельефа. Максимальная глубина ложбин 0,6 м, минимальная — 0,2 м, уклон — более 0,002. Заложение откосов — не менее 1:10, уклон дна — не менее 1,0%₀, длина — не более 400 м (при i = 0,002−0,001 не более 200 м).

Колодцы-поглотители желательно размещать по границам полей севооборотов, дорог, опор линий электропередач, чтобы не создавать помех при обработке мелиорируемых земель. Поверхность земли вокруг колодца срезается с таким расчетом, чтобы образовалось воронкообразное понижение в форме усеченного конуса с глубиной у стен колодца 0,25−0,3 м. Для отвода воды из колодца-поглотителя необходимо предусматривать автономные коллекторы. Количество колодцев и колонок-поглотителей зависит от расчетного объема стока весеннего половодья и допустимого времени застоя воды на поверхности (10−15 сут.).

Водоемы-копани сооружаются в качестве водоприемников для сброса поверхностного и дренажного стока главным образом при осушении земель с западинным рельефом, а также для аккумуляции воды для противопожарных и бытовых нужд, отдыха, а также как природоохранные объекты.

Ликвидация (раскрытие) западин и понижений. Западины глубиной менее 0,15 м и площадью менее 0,03 га засыпают в процессе планировки длиннобазовым планировщиком. При большей площади предусматривается их засыпка привозным грунтом или отвод воды из западин дренажем с фильтрующей засыпкой или установкой колонок-поглотителей. Глубокие, сильно обвалуненные болотные и минеральные заболоченные замкнутые понижения, покрытые древесно-кустарниковой растительностью, рекомендуется оставлять в естественном состоянии в качестве водоохранных и природоохранных объектов.

Агромелиоративные мероприятия. Для повышения эффективности гидромелиорации земель и снижения ее стоимости осушение в большинстве случаев дополняют проведением комплекса агромелиоративных мероприятий. В первую очередь эти мероприятия направлены на регулирование водного режима почв и применяются совместно с инженерными методами. Как самостоятельный способ осушения агромелиоративные мероприятия применяют редко, поскольку одними этими мерами не всегда удается достичь желаемого эффекта. Агромелиоративные мероприятия должны способствовать своевременному отводу избыточных вод с осушаемой территории при ее переувлажнении. По своему действию на водный режим почв агромелиоративные мероприятия подразделяют на следующие группы:

• 1. Мероприятия, обеспечивающие быстрый отвод избыточной воды по поверхности почвы и частично по пахотному слою. К ним относят устройство ложбин, узкозагонную вспашку, профилирование поверхности почвы, выборочное бороздование, гребневую и грядовую вспашку. Мероприятия этой группы ускоряют просыхание пахотного слоя в ранневесенний период и сокращают период переувлажнения этого слоя после обильных дождей, предохраняя сельскохозяйственные культуры от вымокания.
• 2. Мероприятия, которые ускоряют отвод избыточной воды по подпахотному слою. К ним относятся кротование и щелевание.

Кротование представляет собой систему подпочвенных полостей — кротовин, проходящих параллельно друг другу через 1−2 м на глубине 35−40 см. Кротование проводят поперек расположения закрытых линий материального дренажа. Такая сеть обеспечивает мощную гидравлическую связь пахотного слоя с закрытой сетью, позволяет быстро отводить избыток воды по подпахотному слою. Для нарезки кротовин используют кротователи, представляющие собой вертикальный нож, на нижнем конце которого имеется специальное расширение или дренер диаметром 5−7 см. Кротование применяют на кротоустойчивых тяжелых почвах, а также на торфяно-болотных.

К настоящему времени разработан достаточно обширный комплекс противоэрозионных мероприятий [4, с. 226]. Однако принята еще одна попытка в этом направлении: рассмотрены гидротехнические мероприятия, выступающие в качестве завершающего звена в комплексе противоэрозионных мер.

Водная эрозия почв относится к числу наиболее весомых факторов, препятствующих созданию культурного ландшафта, важнейший из которых — поиск критерия эрозионной устойчивости земель. Один из таких критериев — «допустимый смыв».

Ускоренной водной эрозии почв не произойдет, если в любой iой точке склона среднемноголетний средневзвешенный по севообороту смыв почвы М_i (т/(га год)) не будет превышать средневзвешенной по севообороту нормы [М], т. е.

М _i < [М]. (15).

При установлении предельно допустимой длины склона [L] на его нижней полосе шириной 1,0 м следует принимать:

М _i = [М]. (16).

Выполняя условие (16), можно вычислить предельно допустимый среднемноголетний смыв почвы с прямого склона шириной 1,0 м и длиной [L] в первом приближении:

[S]? 1/3 [М]•[L]•1,0. (17).

Из этой формулы предельно допустимая длина склона:

[L]? 3,0•[S]/[М]•1,0. (18).

Задача состоит в том, чтобы установить предельно допустимую длину склона [L], при которой будут соблюдаться условия (16) и (17). Ускоренная водная эрозия не возникнет на склоне, если фактический среднемноголетний средневзвешенный по севообороту смыв почвы S со склона не превысит предельно допустимого [S], т. е.:

S? [S], (19).

а фактическая длина склона от водораздела до точки i, в которой соблюдается условие (16):

L_i? [L]. (20).

Предельно допустимую длину прямого склона рекомендуется определять по формуле:

lg [L] = 1/с lg (10 ^a+1,0 Н d/3 К I^b), (21).

где а, b и с — коэффициенты, учитывающие севооборот (набор сельскохозяйственных культур, их чередование и систему обработки почвы); гранулометрический состав и генезис почвы, ориентацию склона (Ю, ЮЗ — юг, юго-запад; С, СВ, 3 — север, северо-восток, запад; В, ЮВ, СЗ — восток, юго-восток, северо-запад); географическое расположение рассматриваемого поля; I — уклон поверхности склона; Н и d — средневзвешенные по севообороту и склону, для которого определяется [L], среднемноголетняя скорость (темп) почвообразования в мм/год и плотность скелета почвы (объемная масса) в т/м³; К — то же, что и на рисунке.

Установленную по формуле (21) предельно допустимую длину склона сопоставляют с фактической. В случае если L_i< [L], опасности в ускоренной эрозии почвы нет. При L_i > [L] надо ограничить длину склона, устроив на расстоянии от водораздела, равном [L], водоотводную борозду, ложбину или открытый осушитель, которые должны перехватить воду поверхностного стока, вызывающую ускоренную водную эрозию почв, и отвести ее в гидрографическую сеть или другие открытые транспортирующие каналы. Вдоль линейных сооружений обычно устраивают дороги, оставляя древесно-кустарниковую растительность или проводя ее посадки, планируя, проектируя и осуществляя комплексную мелиорацию агроландшафта.

При размещении на крутых склонах севооборотов с пропашными культурами, которым свойственна невысокая противоэрозионная устойчивость, предельно допустимая длина склона получается малой, что вполне естественно. Например, при I = 10% на суглинистой эродированной почве она может оказаться равной даже 15 м. В этом случае следует рассмотреть целесообразность размещения таких севооборотов на крутых склонах, а также возможность использования склоновых земель под другие, более противоэрозионноустойчивые культуры, не исключая при этом из рассмотрения и необходимость залесения склонов [4, с. 230].

Однако, несмотря на разрушительное воздействие поверхностного стока, он может быть использован в качестве недостающего резерва вод в засушливый период.

Вследствие неравномерного распределения осадков в вегетационный период почти ежегодно летом наблюдаются засушливые периоды иногда значительной продолжительности.

Мероприятия по борьбе с засухой должны быть комплексными и состоять из гидротехнических, мелиоративных, агрономических и агролесомелиоративных мероприятий. Все перечисленные мероприятия должны быть направлены на регулирование вод местного стока и максимальное использование талых вод для повышения урожаев различных сельскохозяйственных культур [8, с. 3] .

Местный сток является малоиспользованным резервом в повышении урожаев сельскохозяйственных культур. Первые исследования местного стока профессора В. В. Докучаева в Каменной степи в 1893—1896 гг. и в 1935;1959 гг., по мнению Г. Ф. Басова, представляют, безусловно, большую научную ценность и практическое значение для водохозяйственного строительства по использованию поверхностного стока [9, с. 23].

В борьбе с засухой при использовании местного стока следует применять [8, с. 3]:

• а) лиманное орошение;
• б) строительство прудов и водоемов;
• в) выборочное орошение наиболее ценных, хорошо отзывающихся на полив сельскохозяйственных культур;
• г) агротехнические и лесоводственные приемы по задержанию талых вод.

Лиманное орошение имеет очень большое значение в регулировании вод местного стока; оно обеспечивает задержание большого количества талых вод на полях, сокращает процессы эрозии, повышает урожаи сельскохозяйственных культур. На территории Беларуси целесообразно применение мелкоярусных лиманов.

Мелкоярусные лиманы являются одним из простых в техническом отношении мелиоративных мероприятий, обеспечивающих использование местного стока. Устройство их сводится к насыпке земляных валов высотою не более одного метра, расположенных поперек уклона местности.

Мелкоярусные лиманы, устраиваемые на пологих склонах или по периферии замкнутых понижений, позволяют более полно и рационально использовать местный сток, так как, во-первых, он используется на месте возникновения, что исключает непроизводительные потери воды на заполнение микропонижений и фильтрацию в овражно-балочной сети, и, во-вторых, расходует на создание дополнительных запасов влаги в почве в строгом соответствии с проектной нормой лиманного орошения, путем создания на поверхности лимана соответствующего слоя воды, целиком идущего на впитывание в почву без сброса.

Земляные валы, образующие системы мелкоярусных лиманов и насыпаемые поперек уклона местности на расстоянии 200−300 м друг от друга, создают благоприятные условия для повышенного снегонакопления на площади этих систем, что в свою очередь повышает водообеспеченность почвы лиманов.

Пруды и водоемы являются мощным фактором в борьбе с засухой; они оказывают большое гидрологическое влияние на данную территорию, задерживают большое количество талой воды, уменьшают величину весенних паводков, способствуют уменьшению плоскостной и линейной эрозии, увеличивают влагооборот, повышают влажность воздуха окружающей территории.

Следовательно, при значительном зарегулировании стока в прудах, при правильном их размещении по территории они оказывают сильное влияние на снижение вредного действия засухи.

При сооружении прудов с расчетом на полное регулирование местного стока отпадет необходимость устройства дорогостоящих водосбросных сооружений.

В Беларуси возможно развитие выборочного орошения на базе использования вод местного стока. На орошаемых землях нужно возделывать культуры, хорошо отзывающиеся на полив. К таким культурам относятся: овощные, сахарная свекла, картофель, кормовые корнеплоды, многолетние травы. Очень эффективным мероприятием является также орошение садов.

При значительном задержании талых вод на полях величина стока может быть незначительной и обеспечит орошение небольшой площади посевов.

Агротехнические условия на полях являются очень мощным фактором в задержании вод местного стока. Обработка почвы изменяет водопроницаемость почвы. В зависимости от характера влияния обработки почвы на ее водопроницаемость изменяется и величина стока на водосборе. Чем выше водопроницаемость почвы на полях, тем меньше сток, и, наоборот, с уменьшением водопроницаемости почвы сток возрастает. Еще профессор П. А. Костычев указывал, что чернозем может иметь разные строения. Если он не обработан, то имеет вид сплошного плотного слоя. В этом состоянии чернозем весьма трудно проницаем для воды: выпадающая дождевая вода застаивается на нем в низинах или в значительном количестве стекает по его поверхности, если имеется уклон. При обработке чернозема его водопроницаемость возрастает. Роль обработки почвы на сток в литературе освещена рядом авторов (Б.В. Поляков, И. А. Кузник, Д. Л. Ардман, М. И. Львович и другие).

Большое значение в уменьшении стока талых вод имеет зяблевая вспашка, увеличивающая шероховатость поверхности почвы и ее порозность, обеспечивающие значительное повышение водопроницаемости почвы, вследствие чего на зяби сток уменьшается. С увеличением площади зяби на водосборе сокращается величина и коэффициент стока. Особенно заметно снижение стока при распашке трав, так как улучшение структуры почвы приводит к значительному повышению водопроницаемости почвы.

Зяблевая вспашка и особенно травяной пласт приводят к резкому снижению стока. С увеличением площади озими сток возрастает.