Почвенно-мелиоративные изыскания для проектирования объектов мелиоративного строительства на многолетнемерзлых грунтах (Пособие к ВСН 33-2.1.02-85 "Почвенные изыскания для мелиоративного строительства")

Почвенно-мелиоративные изыскания для проектирования объектов мелиоративного строительства на многолетнемерзлых грунтах (Пособие к ВСН 33-2.1.02-85 "Почвенные изыскания для мелиоративного строительства")

Вид документа: Пособие

Принявший орган: None

Тип документа: Нормативно-технический документ Дата начала действия: 1 мая 1986 г. Опубликован:

НТП-АПК Приказ Минсельхоза России

Дата введения 1986-05-01

ВНЕСЕНО Якутгипроводхозом и ЯО Сибниигим

УТВЕРЖДЕНО В/О Союзводпроект приказом N 19 от 6 февраля 1986 г.

Впервые в состав почвенно-мелиоративных изысканий включены мерзлотно-мелиоративная съёмка, районирование и прогноз. Рассмотрены особенности мелиорации мерзлотных почв и грунтов, нормативные вопросы и положения, методика мерзлотно-мелиоративных изысканий и исследований. Сформулированы основные принципы и методы разработки мерзлотно-мелиоративных и противокриогенных мероприятий.

Учтены достижения в области изучения мерзлотных почв и грунтов, криогенных явлений и процессов, а также опыт ряда проектных и научных организаций по мелиорации в условиях Севера. Пособие предназначено для работников мелиоративных, проектно-изыскательских и научно-исследовательских организаций, занимающихся проблемами мелиорации земель в области вечной мерзлоты. Работа вызовет также интерес мерзлотоведов, географов, геологов, строителей, специалистов сельского хозяйства и др.

Пособие по мерзлотным изысканиям для мелиоративного строительства на многолетнемёрзлых грунтах составлено в Якутгипроводхозе и Якутском отделе Сибирского НИИ гидротехники и мелиорации в соответствии с планом разработки технических нормативов по технологии проектно-изыскательских работ В/О Союзводпроект, а также согласно его техническому заданию.

Для удобства специальные мерзлотные изыскания (съёмка, районирование, картирование и прогноз), проводимые в целях мелиорации земель, назовем мерзлотно-мелиоративными.

Пособие освещает три самостоятельных этапа мерзлотных изысканий для мелиорации: мерзлотно-мелиоративную съёмку; мерзлотно-мелиоративное районирование и картирование, мерзлотно-мелиоративный прогноз.

В основу работы положен опыт мерзлотно-мелиоративных изысканий Якутгипроводхоза (мерзлотно-мелиоративная съёмка М 1:10000, районирование, картирование и прогноз), проведенных впервые в Советском Союзе в 1980-1985 гг. по инициативе и с участием автора на 25 участках различных районов ЯАССР общей площадью более 10 тыс. га.

Применительно для мелиорации земель обобщены научные и научно-методические положения (принципы и методика мерзлотной съёмки, картирования и прогноза), разработанные в Институте мерзлотоведения СО АН СССР, Якутгипроводхозе, ПНИИИСе Госстроя СССР, ВСЕГИНГЕО Министерства геологии СССР, Почвенном институте им. В.В.Докучаева, МГУ им. М.В.Ломоносова, Дальниигиме, ЯО Сибниигиме и других организациях.

При составлении пособия обобщены литературные материалы и результаты многолетних исследований автора (1965-1985 гг.) по мелиорации мерзлотных почв Якутии.

В настоящей работе впервые сформулированы основные требования, предъявляемые к мерзлотно-мелиоративным изысканиям и исследованиям, разработаны принципы мерзлотно-мелиоративного районирования территории, дана приближенная методика оценки и прогноза мерзлотно-мелиоративного состояния земель в области многолетней мерзлоты.

Рукопись пособия в первой редакции была разослана 11 заинтересованным организациям и институтам на рецензирование и заключение. Замечания рецензентов оказались полезными.

При составлении настоящего пособия были доработаны и уточнены многие разделы согласно замечаниям и пожеланиям ведущих институтов и организаций системы Минводхоза СССР и Академии наук СССР (В/О Союзводпроект, Союзгипроводхоз, Почвенный институт им. В.В.Докучаева, Институт мерзлотоведения СО АН СССР, Институт физико-технических проблем Севера ЯФ СО АН СССР, Росгипроводхоз, Мосгипроводхоз, Дальгипроводхоз, Южгипроводхоз, Якутский НИИ сельского хозяйства, Институт биологии ЯФ СО АН СССР, ЯФ Дальгипрозема, Министерство мелиорации и водного хозяйства ЯАССР и др.).

Представляемое пособие призвано содействовать решению различных мерзлотно-мелиоративных и инженерных задач при проектировании объектов мелиоративного строительства на многолетнемёрзлых грунтах.

Учитывая сравнительно небольшой опыт мелиорации в зоне многолетней мерзлоты, а также сложность затрагиваемых вопросов (мерзлотно-мелиоративная съёмка, картирование, районирование и прогноз мерзлотно-мелиоративного состояния земель), в дальнейшем, по мере накопления опыта и знаний, решения проблемы будут уточнены и доработаны. Достижения геокриологии (мерзлотоведения) должны способствовать повышению качества мелиоративных работ в области вечной мерзлоты.

В составлении легенды мерзлотно-мелиоративной карты настоящего пособия принимала участие Н.Г.Голованова (Якутгипроводхоз), а в написании параграфа "Прогноз термического режима мерзлотных почв при орошении" (пункты 8.8-8.9) - А.Г.Тихонов (Якутгипроводхоз). Решение на ЭВМ задач по протаиванию почв проведено Л.И.Шипицыной (Институт мерзлотоведения СО АН СССР) и А.Г.Тихоновым. Постановка задач и интерпретация результатов их решений на ЭВМ сделаны автором пособия.

Автор искренне признателен за ценные советы и замечания Б.П.Шевченко (В/О Союзводпроект), Г.Г.Воробьеву (Мосгипроводхоз), В.С.Кришталь (Дальгипроводхоз), Г.Ф.Скуратову (Союзгипроводхоз), ведущим ученым Почвенного института им. В.В.Докучаева д.с.-х.н. В.А.Носину, к.б.н. Б.М.Кузьмину, Института мерзлотоведения СО АН СССР д.г.н. Н.А.Граве, д.г.н. А.В.Павлову, д.г.н. М.К.Гавриловой, к.г.н. П.А.Соловьеву, Института биологии ЯФ СО АН СССР д.с.-х.н. Л.Г.Еловской, д.б.н. А.К.Коноровскому.

1.1. Настоящее пособие разработано в дополнение к нормам ВСН-33.2.1.02-85 "Почвенные изыскания для мелиоративного строительства" [1] с учётом специфики мерзлотных и почвенных условий.

1.2. В зоне многолетнемёрзлых грунтов в составе почвенно-мелиоративных изысканий проводятся специальные мерзлотно-мелиоративные изыскания (мерзлотно-мелиоративная съёмка, районирование и прогноз) для выявления количественных и качественных характеристик мерзлотных и почвенных особенностей территории в целях определения потребности в мелиорации земель и обоснования конкретных мелиоративных и противомерзлотных мероприятий, направленных на устранение или регулирование нежелательных почвенных и криогенных процессов, на повышение плодородия почв, урожайности, а также для составления прогноза возможных изменений почвенно-мерзлотных условий района при строительстве и эксплуатации мелиоративных объектов.

1.3. Мерзлотно-мелиоративные изыскания - это комплекс полевых, лабораторных и камеральных работ, целью которых является определение характеристик сезоннопротаивающего слоя, криогенных процессов и явлений, верхней кровли многолетнемёрзлых грунтов и составление на этой основе мерзлотной или совмещенной почвенно-мерзлотно-мелиоративной карты с рекомендациями по их регулированию в нужном направлении.

Изыскания и исследования выполняются в основном для разработки проекта, рабочей документации и рабочего проекта объектов мелиоративного строительства.

1.4. Мерзлотно-мелиоративные изыскания включают:

1) изучение фондового и опубликованного материалов и карт и аэрофотоснимков, систематизацию и анализ имеющихся материалов;

2) рекогносцировочное мерзлотно-мелиоративное обследование территории объекта;

3) мерзлотно-мелиоративную съёмку;

4) изучение мерзлотных характеристик слоя сезонного протаивания, криогенных явлений и процессов;

5) прогноз изменений (положительных и отрицательных) почвенно-мерзлотных условий и окружающей среды под воздействием строительства и эксплуатации мелиоративных систем;

6) специальные опытные работы.

1.5. Состав и объём мерзлотно-мелиоративных изысканий зависит от сложности природных условий территории, степени её изученности и конкретных задач проектирования.

1.6. Мерзлотно-мелиоративные изыскания выполняют в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный (раздел 4).

1.7. В программе предусматривается максимальное использование материалов изысканий прошлых лет.

Из-за изменчивости состояния увлажненности, криогенных процессов и явлений, сложности почвенного покрова материалы изысканий прошлых лет при составлении проекта используются с давностью не более:

а) 10-12 лет для земель, не подвергавшихся мелиоративным мероприятиям;

б) 5-7 лет для земель, подвергнутых мелиоративным мероприятиям.

В отдельных случаях применимость материалов проверяют обследованием их или производством полевых и камеральных работ.

1.8. Мерзлотно-мелиоративная съёмка включает изучение почвенного криогенеза и криогенных процессов и явлений, таких как: глубина протаивания, морозобойное растрескивание, грунтовые жилы, подземные льды, полигональный микрорельеф, текстура, термоэрозия, термокарст, надмерзлотные воды, явления переувлажнения и тиксотропности, почвообразующие и подстилающие породы, мерзлотные показатели в пределах наибольшей наблюдающейся глубины сезонного протаивания почвогрунтов, которую следует принимать за возможную глубину мелиоративного воздействия ( ).

1.9. Характеристики грунтов, мерзлотных процессов и явлений глубже слоя возможного сезонного протаивания входят в задачу инженерно-геологических изысканий.

1.10. Для проектирования объектов мелиоративного строительства на многолетнемёрзлых грунтах мерзлотно-мелиоративные изыскания и исследования выполняют комплексно и во взаимной увязке с инженерно-топографическими, инженерно-геологическими, гидрологическими и другими изысканиями и исследованиями.

1.11. На крупных массивах, намечаемых под мелиоративное строительство, закладывают ключевые участки (раздел 3). Ключевой метод является основным при составлении мелко- и среднемасштабных карт.

1.12. Площадь мерзлотно-мелиоративных изысканий назначают в границах проектируемого объекта. Увеличение площади съёмки определяется программой работ, сложностью природных условий территории, масштабом съёмки.

При съёмках масштаба 1:25000-1:50000 и мельче в районах интенсивного термокарстового проявления и сложных по гидрологии, гидрогеологии и геоморфологии (III-й категории сложности) допускается увеличение площади мерзлотно-мелиоративных изысканий в среднем в 1,3 раза по сравнению с площадью мелиорируемых земель. Превышение площади съёмки обосновывается программой работ.

При крупномасштабном картировании 1:5000-1:10000 использование аэрофотоснимков облегчает предварительный отбор земель под мелиорацию и отпадает необходимость в завышении площади съёмки.

1.13. Сроки полевых изысканий рекомендуется устанавливать со схода снежного покрова до наступления устойчивого холода, иначе материалы съёмок будут недостаточно качественными. В зимний период полевые мерзлотно-мелиоративные изыскания целесообразно осуществлять на болотах, труднопроходимых в летнее время.

1.14. Вопросы мерзлотно-мелиоративных изысканий связаны с общим, теплофизическим и агробиологическим разделами мерзлотоведения (геокриологии), поэтому необходимо дать определения основных геокриологических понятий и терминов [2-6].

Мерзлотоведение (геокриология). Учение об истории развития и закономерностях формирования и распространения мерзлой зоны литосферы (мёрзлых почв, горных пород, грунтов), о составе, свойствах, строении, сложении и криогенных текстурах мёрзлых горных пород, грунтов и связанных с ними криогенных процессах и явлениях, а также о взаимодействии с результатами производственной деятельности человека.

Зона многолетнемёрзлых пород (ММП), зона вечной мерзлоты (криолитозона). Зона горных пород любого состава с сезоннопротаивающей почвой, имеющая отрицательную температуру и существующая непрерывно в течение многих (не менее трех) лет.

Слой сезонного промерзания. Поверхностный слой почвы, грунта, горной породы, промерзающий в холодное время года, на мёрзлых горных породах.

Слой сезонного оттаивания (протаивания) Поверхностный слой почвы, оттаивающий или протаивающий в теплое время года на многолетнемёрзлых горных породах.

Мёрзлые грунты, почвы. Грунты, почвы всех видов, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лёд.

Почвенный криогенез. Совокупность процессов физического, химического и минералогического изменения и преобразования почв при отрицательной температуре.

Криогенные процессы. Процессы деформации земной поверхности, обусловленные промерзанием и протаиванием почв и горных пород, а также накоплением и вытаиванием в них льда.

Криогенные явления. Особые физико-геологические явления, возникающие при промерзании и протаивании или изменении отрицательной температуры почв, грунтов, горных пород, а также водоемов и водотоков.

Термокарст. Совокупность физико-геологических процессов и явлений: вытаивания скоплений подземного льда, ледяных включений и залежей, возникновения в толщах мёрзлых пород полостей, а также просадок оттаявших почв и грунтов; образования отрицательных форм рельефа (аласный, озерный, бугристо-западинный, просадочный, трещинно-полигональный).

Термоэрозия. Образование промоин и оврагов в результате теплового и механического воздействия текущей воды на льдистые мёрзлые почвы и грунты (породы).

Морозобойное (криогенное) растрескивание. Процесс образования и роста температурных трещин в почве и грунте вследствие понижения их температуры в зимнее время ниже 0 °С.

Льды подземные. Льды, содержащиеся в мёрзлых почвах, горных породах, грунтах; входят в состав земной коры как в качестве мономинеральной горной породы, так и в качестве составной части полиминеральных горных пород. Лёд как составляющая мёрзлых осадочных пород без жестких связей, независимо от его происхождения, размеров, формы и условий залегания.

Повторно-жильный лёд. Образуется при многократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин, имеет клиновидную или столбчатую форму в поперечном разрезе.

Конституционный лёд. Образуется при замерзании влажных дисперсных пород (почв, грунтов) и может быть представлен в них в виде скрытого (латентного), не видимого невооруженным глазом льда и видимого (эвидентного), залегающего в форме включений, прослоек, линз и т.д. Нередко такой лёд, если мощность его не превышает 0,5 м, называют текстурообразующим;

а) Лёд-цемент. Лёд, цементирующий почвы, грунты и рыхлые горные породы, без заметного раздвижения частиц минерального скелета;

б) Сегрегационный или миграционный лёд. Лёд, образующийся при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания.

Криогенная текстура (криотекстура). Особенность относительного расположения в пространстве сцементированных льдом частиц и агрегатов породы и шлиров льда. Характеризует строение мерзлого грунта, расположение, форму и величину ледяных включений;

а) Массивная криотекстура. Ледяные шлиры отсутствуют. Частицы и агрегаты почв и грунтов сцементированы кристаллами и мелкими включениями льда;

б) Слоистая криотекстура. Ледяные шлиры образуют взаимные параллельные линзообразные прослойки, чередующиеся со слоями частиц и минеральных агрегатов, связанных льдом-цементом;

в) Сетчатая криотекстура. Ледяные шлиры, ориентированные в разных направлениях, образуют между собой непрерывную сеть или решетку.

Миграция (передвижение) влаги при промерзании. Перемещение влаги в жидкой и парообразной фазе в процессе промерзания почв, грунтов и горных пород, а также в период их мерзлого состояния.

Осадка при протаивании. Вертикальное оседание почв, грунтов или горных пород, обусловленное уменьшением объёма при протаивании.

Просадка при протаивании. Быстро протекающая местная осадка почв, грунтов или горных пород при протаивании, обусловленная коренным изменением сложения.

Изначально-грунтовые жилы. Всегда образуются в слое сезонного протаивания и промерзания в процессе многократно повторяющегося растрескивания, заполнения трещин водой, замерзания ее, последующего оттаивания элементарной жилки льда и заполнения образующейся полости сильно влажной, иногда разжиженной вмещающей породой, оседания последней в полость и обваливания её со стенок.

Изначально-земляные жилы. Представляют собой начальную стадию образования грунтовых жил. Формируются в сезонно-талом слое вследствие заполнения морозобойных трещин минеральным материалом. Разновидностью таких жил являются гумусовые потеки.

Псевдоморфозы по вытаявшему льду. Представляют второй тип полигональных систем грунтовых жил. Вытаивание повторно-жильного льда образует полигональную сеть канав на поверхности почв, или пустот на некоторой глубине, которые полностью или частично заполняются рыхлой породой, образующей псевдоморфозы по вытаявшему льду. Выделяют три разновидности псевдоморфоз по жильному льду: а) жилы, образованные заполнением пустот, несложным обвалившимся или оплывшим сверху грунтом; б) жилы, частично заполняющие пустоты, оставшиеся после вытаивания жильного льда; в) мерзлотные структуры облекания или слоистые жилы, в которых слои повторяют или облекают форму пустот, образовавшихся при вытаивании жильных льдов.

1.15. В рассматриваемой области основными видами водной мелиорации являются: орошение дождеванием овощных и кормовых культур, картофеля и лугов, лиманное орошение и осушение лугов и пастбищ, а также осушение термокарстовых озер для создания кормовых угодий. Мелиорация земель осуществляется на территории четырех природных подзон: субарктической тундры, лесотундры, северной и средней тайги. Общей характерной чертой природных условий этих подзон считается широкое распространение криогенных процессов и явлений (подземных льдов, термокарстовых образований, морозобойных трещин и др.), короткое лето, недостаток атмосферного тепла. В подзоне средней тайги на крупных массивах сельскохозяйственных угодий подземные льды занимают от 10 до 20% площади, а в подзоне субарктической тундры - от 40 до 100%.

1.16. В зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов формируются почвы, характеризующиеся своеобразными свойствами и режимами. Основными характеристиками (состав, свойства, режимы) мерзлотных почв, имеющими важное мелиоративное значение и влияющими на плодородие земель, являются следующие [7-38]:

1) Мерзлотные почвы и грунты, являясь сложными многокомпонентными и многофазными системами, состоят из четырех основных составляющих:

а) скелет (минеральный, органо-минеральный и органический);

б) твердая фаза воды (лёд и кристаллогидраты);

в) жидкая фаза воды (связанная или незамерзшая вода, растворы солей);

г) газообразная составляющая (пар и газы).

Состав и строение мерзлотных почв, соотношение (структура) их составляющих (например, соотношение льда и минерального скелета) определяют направление и интенсивность развития различных почвенных и криогенных процессов (заболачивание, иссушение, неравномерная тепловая осадка поверхности, эрозия и т.д.).

2) В мёрзлых почвах всегда содержится незамерзшая (связанная) вода, являющаяся основной причиной развития комплекса химических и физико-химических процессов (окислительно-восстановительные реакции, обменные реакции, коагуляция коллоидов, диспергирование и пептизация, тиксотропия и т.д.). При этом отрицательная температура не останавливает развитие этих процессов и реакций, а при определенных условиях может даже увеличивать их интенсивность.

3) Малая мощность почвенного профиля и низкая биологическая активность мерзлотных почв обусловливаются близким залеганием многолетнемёрзлых грунтов, недостатком почвенного тепла.

4) Преобладание в механическом составе пылеватых частиц, слабая водопрочность макроагрегатов и слабая оструктуренность мерзлотных почв вызываются ежегодным промерзанием и протаиванием, при которых под воздействием воды, температурных напряжений, внешнего давления происходит разрушение почвенных агрегатов.

5) Удовлетворительная водопрочность микроагрегатов мерзлотных почв создается при промерзании в процессе криогенного уплотнения, увеличения концентрации ионов и незамерзшей части воды и коагуляции (склеивание коллоидов).

6) Величина объёмной массы мерзлотных почв не всегда увеличивается с глубиной. При протаивании мерзлотных почв с включением плитчато-слоистого льда, в частности глеевого горизонта и нижних слоев, наблюдается снижение объёмной массы с глубиной. В мерзлотных тундровых торфяно-перегнойно-глеевых почвах в талом состоянии объёмная масса глеевого горизонта не превышает 1,3 т/м , а влагонасыщенных надмерзлотных горизонтов в мерзлом состоянии может снижаться до 0,9 т/м . Мерзлотные почвы со слоистыми и слоисто-плитчатыми криогенными текстурами (включениями прослоек льда) обладают повышенной величиной наименьшей влагоёмкости, общей порозности и горизонтальной фильтрации и слабой вертикальной водопроницаемостью.

7) Надмерзлотная оглеенность является одним из явных признаков мерзлотных почв северной тайги и субарктической тундры из-за близкого залегания многолетнемерзлого водоупора. Процесс оглеения усиливается в период сезонного промерзания почвы, когда анаэробиоз развит наиболее интенсивно.

8) Северотаёжные и тундровые глеевые, торфяно-глеевые почвы обладают тиксотропностью, свойствами легко разрушаться при земляных работах и превращаться в плывун или "мясигу".

9) В зоне тундры и северной тайги мерзлотные почвы имеют кислую почвенную среду (рН=4-6), а в зоне средней тайги нейтральную и щелочную, луговые почвы (например, в аласах Центральной Якутии) часто имеют сильнощелочную (рН=8-9) реакцию вследствие их засоленности.

10) Мерзлотные почвы слабо обеспечены подвижными питательными веществами, особенно азотом.

11) До 64° с.ш. широко распространены засоленные разновидности мерзлотных почв. Они занимают около 30% территории Центральной Якутии.

12) Солевой режим корнеобитаемого слоя мерзлотных почв имеет два максимума: летний и зимний. При этом зимний максимум накопления солей в пахотном слое почвы равен летнему. Зимний максимум накопления солей и вторичное засоление орошаемых и осушаемых мерзлотных почв происходит за счёт миграции влаги и солей с нижних слоев при осенне-зимнем промерзании сезонно-талого слоя.

1.17. Особенности мерзлотных почв как объекта мелиорации изучаются при почвенной и солевой съёмках.

1.18. При осуществлении мерзлотно-мелиоративной съёмки изучаются характеристики слоя сезонного протаивания, криогенных процессов и явлений, влияющие на плодородие почв (табл.1).

Мерзлотные процессы и явления, имеющие важное мелиоративное значение

Мерзлотные процессы и явления

Вид инженерно-мелиоративной съёмки

Мерзлотные формы микрорельефа

Вид микрорельефа, размеры валиков, полигонов, бугров, понижений, борозд и др.

Слой сезонного протаивания и промерзания

Тип, состав, криогенная текстура (включения линз, прослоек льда)

Глубина сезонного протаивания

Средняя многолетняя и максимально возможная глубина сезонного протаивания под влиянием мелиорации (на момент съёмки)

Влажность (льдистость) слоя сезонного протаивания

Влажность минеральных прослоек, влажность за счёт прослоек льда и незамерзшей воды, суммарная влажность мёрзлых почв и грунтов

Морозобойное (криогенное) растрескивание

Глубина трещин, ширина их раскрытия и протяженность в плане (размеры полигональных блоков), характер их заполнения мелкоземом, гумусом

Изначально-грунтовая (земляная) жила

Механический и агрохимический составы, текстура, форма и размеры жил (высота, ширина), удельная и объёмная масса, водопроницаемость

Псевдоморфозы по вытаявшему жильному льду

Те же характеристики земляной жилы и наличие пустот (полостей), их глубина залегания, размеры (высота, ширина), характер заполнения пустот

Тип подземного льда, форма ледяного тела, глубина залегания, мощность и площадь распространения льдов, стадия их развития

Тип и генезис термокарстовых образований, их форма и размеры (длина, ширина, глубина), стадия развития, площадь распространения, а также степень их проявления

Формы и размеры промоин (длина, ширина, глубина), площадь распространения

Глубина залегания, мощность и площадь распространения водоносного горизонта; гидравлический уклон, коэффициент фильтрации почвогрунтов, источники существования надмерзлотных вод; характер минерализации и химический состав надмерзлотных вод

1.19. Технология (состав, объём и методика) изучения в поле основных криогенных процессов и явлений и их характеристик более подробно рассматривается в разделах 2, 3, 4.

1.20. По современным воззрениям [5, 7, 12, 13, 15, 27, 30, 31, 36-52 и др.] многогранные и сложные связи между мерзлотными почвами, формами проявления криогенных процессов и мелиоративных мероприятий, а также особенности мелиорации в зоне многолетней мерзлоты проявляются в следующем.

1.21. Основной объект мелиорации - мерзлотные почвы и слой сезонного протаивания и промерзания - является составной частью окружающей природной среды. Мерзлотные почвы и криогенные процессы и явления в них тесно взаимообусловлены и взаимосвязаны. Основные особенности, имеющие важное мелиоративное значение (малая мощность гумусового горизонта, не более 20-30 см, слабая оструктуренность, низкая температура, малая биологическая активность, мерзлотное заболачивание, вторичное засоление и многие другие), обусловлены или усиливаются в связи с наличием подстилающих многолетнемёрзлых грунтов.

1.22. Мелиоративные мероприятия (строительство каналов и водорегулирующих сооружений; проведение оросительных, осушительно-оросительных, тепловых мелиораций; удаление леса, кустарников, кочек, мохового очеса и т.д.) вызывают нарушение сложившегося равновесия между мерзлотными почвами, криогенными процессами и многолетнемёрзлыми грунтами, обусловленное изменениями растительного и почвенного покровов, а также соотношениями составляющих (компонентов) почвы. При орошении и осушении изменение соотношения между компонентами мерзлотных почв (скелета, воды, льда, пара и газа) определяет направление и интенсивность развития почвенных и мерзлотных процессов и явлений, а также эффективность мелиорации. В то же время мерзлотные процессы и явления оказывают огромное влияние на мелиоративное строительство, режимы орошения и осушения.

1.23. При орошении и осушении в первую очередь происходит изменение влажности мерзлотных почв. Лиманное орошение повышает влажность талого слоя почвы до её полной влагоёмкости (ПВ), а дождевальные поливы - до её наименьшей влагоёмкости (НВ). Осушение может вызвать снижение влажности мерзлотных почв от ПВ до влажности завядания растений.

При богарном использовании больших площадей земель из-под раскорчевки леса (мерзлотных палевых и палевых осолоделых), а также осушенных земель развивается мерзлотная аридизация (иссушение), а при рациональном орошении и внесении удобрений гидротермический режим этих почв становится умеренным, оптимально влажным. При этом в первый год орошения слабоувлажненных почв, вследствие увеличения теплопроводности талого слоя в 1,5-1,7 раза, увеличивается интенсивность протаивания в 1,2-1,4 раза, а теплового потока в почву - на 10-30%. В следующие годы, при рациональном орошении, наблюдается незначительное (до 1-2°) снижение температуры корнеобитаемого слоя, уменьшение глубины сезонного протаивания на 0,1-0,2 м (в допустимых пределах), оптимальное повышение влажности (0,7-0,9 НВ), увеличение количества питательных элементов, активизация благоприятных биологических процессов, повышение плодородия почв, т.е. улучшение состояния земель вследствие мелиорации. При этих условиях с орошаемых земель, например в Центральной Якутии, получают высокие урожаи: 200-300 ц/га картофеля, 550-700 ц/га капусты, 250-300 ц/га зеленой массы подсолнечника и овса, 40-50 ц/га сена.

1.24. Орошение повышенными нормами может вызвать значительное охлаждение корнеобитаемого слоя (на 3-5°), переувлажнение (от НВ до ПВ), сокращение мощности сезоннопротаивающего слоя (на 35-40%). Результаты наблюдений и решения задач по протаиванию почв на ЭВМ М-222 показали, что при влажности 11; 15,5, 18,5; 22; 26,5; 29% от веса к 1 августа глубина протаивания суглинистых почв в центральных районах Якутии составляет соответственно 1,75; 1,50; 1,30; 1,15; 1,10; 1,05; 1,03 м, т.е. при относительно равномерном росте влажности от 30 до 90% ПВ глубина протаивания уменьшается с затуханием. Поднятие поверхности многолетней мерзлоты, переувлажнение сезонно-талого слоя приводит к снижению биологической активности, плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

1.25. Мерзлотные тундровые и северотаёжные заболоченные почвы (тундровые, торфянисто-торфяно-глеевые, лугово-болотные, северотаёжные заболоченные, сапропели), имеющие чрезмерно холодный избыточно увлажненный гидротермический режим, нуждаются в проведении осушительных, осушительно-увлажнительных, тепловых, культуртехнических и агротехнических мероприятий. Водно-воздушный и тепловой режимы этих почв являются крайне неблагоприятными для нормального роста и развития растений. Они переувлажнены до ПВ, имеют низкую температуру, малую мощность сезонно-талого слоя (0,3-0,6 м). Под влиянием осушительных и культуртехнических мероприятий происходит улучшение гидротермического режима мерзлотных заболоченных почв: уменьшение влажности от ПВ до 0,7-0,9 НВ, повышение температуры верхнего слоя на 5-7°, увеличение глубины сезонного протаивания в 1,5-3 раза, что обусловливает улучшение водно-воздушного режима и биологической активности почв. В совокупности все эти благоприятные изменения под влиянием осушительных мероприятий вызывают коренное улучшение мелиоративного состояния земель за 3-4 года. Такие земли, даже за Полярным кругом, дают высокие урожаи до 40-50 ц/га сена. В засушливых центральных районах Якутии и континентальной части Магаданской области, если после осушения мерзлотных почв не проводить орошения, то через 3-4 года происходит переосушение и резкое снижение урожайности.

1.26. За зимний период мерзлотные почвы аккумулируют большой запас холода, что в летний период снижает интенсивное прогревание корнеобитаемого слоя, активное протекание биохимических, физиологических и других процессов как в самой почве, так и в растениях. Дефицит почвенного тепла - основной лимитирующий фактор для нормального роста и развития растений при достаточном увлажнении. По этим причинам в зоне многолетней мерзлоты, в частности в условиях Якутии, проведение только одной мелиорации не дает желаемого эффекта. Поэтому требуются комплексные мероприятия: мелиоративные, тепловые, противокриогенные, культуртехнические, агротехнические, агрохимические.

В зоне многолетней мерзлоты задача оросительных и осушительных мелиораций земель состоит не только в том, чтобы оптимизировать влажность почвы, как в других районах страны, но и улучшить тепловой режим всего сезоннопротаивающего слоя почв и грунтов.

1.27. Верхняя граница многолетней мерзлоты практически представляет собой водонепроницаемый экран. Вследствие этого, при мелиорации перенос тепла, влаги и солей происходит в основном в верхнем сезоннопротаивающем слое. Эта особенность обусловливает более тесную взаимосвязь между тепловым, водным и солевым режимами мерзлотных почв, влияющими на формирование плодородия почв и величину урожая. Незначительные мелиоративные воздействия могут вызвать переувлажнение или переосушение мерзлотных почв за короткий срок из-за малой мощности (в среднем 1,5-2 м) и малой водовместимости (300-500 мм) сезонно-талого слоя. В этом одна из причин сложности гидротермических мелиораций и ранимости мерзлотных почв, что требует большой точности в назначении мелиоративных мероприятий: режима орошения, интенсивности и нормы осушения и т.д.

1.28. В зоне многолетней мерзлоты нормы и сроки орошения и осушения земель в значительной мере определяются динамикой протаивания мерзлотных почв.

Основная особенность режима лиманного орошения сенокосов и пастбищ - орошение по мёрзлым или частично оттаявшим почвам. Поэтому рациональной норме орошения соответствует строго определенная глубина протаивания почвы в данный момент (срок опорожнения лимана).

Неправильный режим орошения, в частности переувлажнение, вызывает замедленное оттаивание и охлаждение корнеобитаемого слоя почв и поднятие верхнего уровня многолетней мерзлоты. В свою очередь, медленное оттаивание корнеобитаемого слоя почв усугубляет дальнейший процесс заболачивания. Низкая температура и слабая аэрация способствуют накоплению на поверхности почвы неразложившихся органических остатков и образованию мохового покрова, что ведет к резкому снижению плодородия почв, деградации естественных трав, потере урожайности.

1.29. В зоне многолетней мерзлоты при осушении требуется удалять (отводить) не только избыточные поверхностные воды, но и "вековые" избыточные влагозапасы осушаемого слоя заболоченных земель, аккумулированных в форме льда, а также регулировать приток воды от вытаивания подземных льдов и надмерзлотных вод с вышележащего водосбора. В отличие от других областей страны при сплошном распространении многолетней мерзлоты норма осушения определяется не глубиной залегания грунтовых вод в почвогрунтовом профиле, а установлением мощности слоя активного влагообмена и удалением его избыточных "вековых" влагозапасов, снижением влажности корнеобитаемого слоя почвы заболоченных земель до оптимальных величин. Под влиянием осушительных мероприятий восстановление водного и теплового режима, уменьшение влажности происходит с самых верхних слоев осушаемой почвы, что постепенно вызывает увеличение глубины сезонного протаивания. По мере увеличения мощности сезонно-талого слоя во влагооборот с верхним корнеобитаемым слоем почвы и атмосферой включается влага, ранее заключенная в нижележащих слоях в виде льда. При этом за счёт капиллярного подъема влаги наблюдается интенсивная подпитка корнеобитаемого слоя при влажности выше НВ.

При осушении верхних слоев почвы и увеличении мощности сезонно-талого слоя подпитывание корнеобитаемого слоя происходит также за счёт миграции влаги с нижних слоев при промерзании. Миграция влаги при промерзании происходит до глубины, равной 2/3 сезонно-талого слоя. Верхний слой активного влагообмена осушаемых почв с атмосферой, с которого требуется удалить избыточный запас влаги, равный 2/3 сезоннопротаивающего слоя, называют максимальным слоем (нормой) осушения.

Величина нормы осушения изменяется в течение вегетационного периода в соответствии с динамикой протаивания почв. В таблице 2 в качестве примера приведены нормы осушения в подзонах субарктической тундры и северной тайги.

Средняя многолетняя норма осушения заболоченных земель в заполярной зоне Якутии