Russian Federation
UDC 35.073.515.11
UDC 626.87
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.00.00
Russian Library and Bibliographic Classification 4
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The article contains an overview of patent descriptions for inventions in the field of development of hydraulic structures that allow to detain diffuse runoff from reclaimed fields, accumulate and use it for irrigation or ensure its purification before releasing it into water sources to protect them from pollution. Patented technical solutions are aimed at creating melioration systems that take into account the features of the landscape, climatic zones and the requirements of agricultural crops for the water-air regime of the root-inhabited soil layer. The article presents concept objects reflecting the main directions in the field of detention of diffuse runoff from reclaimed fields, including: devices for collecting and diverting flood runoff, structures for accumulation and storage of drainage runoff, water circulation systems, structures for cleaning drainage runoff.
diffuse runoff, absorption wells, drainage runoff, storage ponds, storage collectors, precision irrigation, drainage runoff treatment, water circulation systems.
Введение: Первого сентября 2024г. вступил в действие Водный кодекс РФ в редакции от 08.08.2024г. В статье 1. п. 19 приведён перечень вод, относящихся к сточным, включающий: дождевые, полые, инфильтрационные, поливомоечные, дренажные, отведение которых в водные объекты допускается после их очистки до нормативного уровня [1]. В этот перечень не включён диффузный сток с поверхности сельскохозяйственных полей. Между тем, установлено, что до 70% химических веществ, загрязняющих воду рек, озёр и прудов, приходится на удобрения и химикаты, выносимые с поверхностным стоком с полей [2]. Процесс образования диффузного стока можно разделить на несколько этапов. При выпадении ливневых осадков вода впитывается почвой и происходит быстрое насыщение влагой её верхнего слоя. Крупные капли дождя, падая на поверхность почвы, разрушают комочки, образующие её водопрочную структуру. После насыщения верхнего слоя почвы влагой начинается формирование поверхностного стока, который растворяет подвижные соли, содержащиеся в почве, и увлекает мелкие илистые частицы почвы. В составе воды диффузного стока преобладают соединения азота. Соли фосфора, калия, кальция, магния и тяжёлых металлов фиксируются на поверхности илистой фракции стока. Интенсивность смыва мелкозёма с поверхности земли зависит от крутизны поверхности участка. При склонах 1-30 ежегодно смывается порядка 3т/га, а при увеличении крутизны до 8-160 выносится до 15т/га наиболее плодородной части почвы [3]. Наблюдения показали, что за вегетационный период с дренажным стоком в объеме 1800 м3/га, выносится 320 кг/га элементов минерального питания растений: 220 кг кальция, 41 кг азота, 30 кг магния, 22 кг натрия и 7 кг калия [4].
Основная часть: Согласно ст.61 Водного кодекса РФ мелиоративные мероприятия должны проводиться одновременно с осуществлением мероприятий по охране окружающей среды, водных объектов и их водосборной площади В том числе решать задачи предотвращения и диффузного стока, а в случае невозможности предотвращения, осуществления очистки его, до нормативного уровня от взвешенных в воде илистых частиц и водорастворимых солей Данная статья посвящена изучению новых технических решений запатентованных в Российской Федерации. Эти изобретения позволяют задержать диффузный сток с мелиорированных полей, накопить и использовать его на орошение. Они могут обеспечить очистку стока перед выпуском в водоисточники.
Методология исследований включала изучение описаний к патентам в области разработки гидротехнических устройств для предотвращения диффузного стока с мелиорированных земель, его накопления и последующего использования на орошение. Рассматриваются так же сооружения для очистки стока в случае выпуска в водоисточники.
Результаты исследований: Мелиоративные сооружения, обеспечивающие возможность предотвращения поступления неочищенного диффузного стока в водоисточники, различаются по назначению и способу реализации. Выбор конструкции сооружения определяется климатическими условиями мелиорируемой территории. В зоне избыточного увлажнения, где количество осадков превышает испаряемость, строят дренажные системы для сбора и отведения стока. Большая часть изобретений в этой области связана с очисткой собираемого стока перед выпуском его в водоисточники. Так, для отведения поверхностных вод из блюдцеобразных понижений разработаны водопоглощающие колодцы из сборного или монолитного железобетона. Конструкции таких колодцев описаны в патентах №2579259, № 2714837. В патенте №2579259 представлена наиболее простая конструкция колодца-поглотителя. Эта конструкция включает корпус с крышкой и водоприемными отверстиями защищенный от плавающего мусора. В нижней части корпуса сделан отстойник для задержания песка, снабжённый промывным патрубком с краном [5]. Патент №2714837 содержит описание колодца-поглотителя, для очистки стока от более мелкой илистой фракции. Эта очистка происходит в камере – отстойнике с отведением осветлённой воды из её верхней части[6]. В патенте № 2816530 описан способ очистки стока фильтрацией через гравийно-песчаную засыпку. От пониженного бессточного участка прокладывают траншею, в которую укладывают перфорированную дренажную трубу с тонкостенным фильтром. Часть траншеи в понижении засыпают фильтрующим материалом в два слоя. Остальную часть траншеи до высоты 0,5 м от поверхности почвы засыпают гравием или крупным песком по всей длине траншеи. Верхняя часть траншеи от глубины 0,5 м до поверхности земли засыпается прерывисто песком и отрытой почвой [7]. Патент № 2812424 выдан на способ позволяющий удалить из дренажного стока химические элементы растворённые в воде. Дренажная сеть имеет дренажные колодцы, расположенные на трассе закрытых коллекторов. В колодцах производится периодический отбор проб дренажного стока для определения содержание химических загрязнителей. По результатам анализа и учета составляют наборы съемных картриджей с сорбентом из ионитовых смол и противофильтрационным материалом. На выходящих сопрягающих трубах дренажных колодцев монтируют устройства для установки этих картриджей. На устьях закрытых коллекторов монтируют узлы учета расхода дренажного стока [8.] Отведение стока с поверхности мелиорируемых участков обеспечивает мелиоративная система, защищённая, патентом №2725486. Этот патент выдан на «Способ строительства осушительной системы» [9]. Согласно этому способу на участке, где проектируется строительство закрытой дренажной осушительной сети, предварительно нарезают временную осушительную сеть в виде борозд. Эти борозды выведены в канал-собиратель, подключённый к закрытому коллектору через камеру очистки. При использовании борозд для строительства временной осушительной сети предотвращение заиления камеры очистки обеспечивает способ экранирования борозд перфорированной плёнкой [10]. Дифференцированное предотвращение стока вод с поверхности полей обеспечивает «Способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия» (патент РФ №255673) [11]. Для применения этого технического решения поля делят на участки, отличающиеся по экспозиции, плодородию, водному и тепловому режимам. По границам выделенных участков прокладывают сеть для перехвата поверхностного стока. Глубину закладки закрытого дренажа дифференцируют с учётом особенностей каждого участка. При наличии подстилающего водоупорного слоя, избыток воды предлагают отводить для пополнения запаса грунтовых вод. Для этой цели служит изобретение, защищённое патентом РФ №2655959 выданным на «Устройство для отведения поверхностных вод» [12]. Согласно этому изобретению для отведения поверхностных вод через слой водонепроницаемого грунта бурят вертикальные скважины до водоносного слоя. Особенностью конструкции скважин является выполнение их в виде блока из четырёх скважин соединенных с соседними скважинами горизонтальными дренами. Каждая скважина снабжена оголовком из фильтрующего материала, что предотвращает опасность загрязнение грунтовых вод.
Для очистки дренажного стока на каналах-коллекторах найдёт применение изобретение «Система сооружений для очистки дренажного стока». Эта система включает сороудерживающую сетку, кассетоудерживающее сооружение, заполненное кассетами с сорбентом и подпорную стенку, для равномерное использование сорбирующего материала, патент № 2728365 [13].
Наиболее полно требованиям защиты от загрязнения водоисточников и окружающей среды стоком с сельскохозяйственных земель отвечают водооборотные мелиоративные системы. Эти системы обеспечивают сбор и накопление дренажного стока для использованием накопленной воды на орошение. В первой половине прошлого века получили распространение осушительно-оросительные системы. В этих системах поверхностный дренажный сток собирается сетью дренажных каналов или сетью подземных дрен, выведенных в каналы коллекторы. Для повышения их эффективности предложено использовать усовершенствованные перегораживающие сооружения. В патенте № 2233075 описана осушительно-увлажнительная система, включающая магистральный канал-накопитель дренажных вод с автоматизированными регуляторами уровня воды и отводные каналы с закрытыми дренами-собирателями дренажных вод для орошения участков, расположенных ниже по склону [14]. В аналогичной мелиоративной системе защищённой патентом № 2076918, дренажную воду накапливают в открытом канале-коллекторе. В устье такого канала размещают дренажный колодец с сифонным водовыпуском для автоматического регулирования уровня воды в канале коллекторе [15]. Использование каналов-коллекторов для накопления дренажного стока возможно только в меженный период. В половодье эта сеть служит для отведения избытка воды.
Для климатических зон с неустойчивым и недостаточным увлажнением интерес представляют мелиоративные системы включающие размещение в наиболее низких точках мелиорируемого участка прудов-накопителей дренажного стока. В эти пруды весной отводят поверхностный и дренажный сток. Летом накопленную воду забирают насосами и подают в поливные борозды или к дождевальным установка (Ав. Св. СССР №1631121) [16]. Недостатком таких прудов-накопителей дренажного стока является их большой объём. Это связанно с необходимостью поддержания двухметрового мёртвого уровня заполнения препятствующего зарастанию пруда, а также учёта фильтрационных потерь воды и испарения с поверхности пруда. Эти потери снижаются при использовании осушительно-увлажнительной системы, защищённой патентом на изобретение №2663596 [17]. Согласно этому изобретению, пруд-накопитель дренажного стока снабжён защитным экраном из светонепроницаемого материала, закреплённым на тросах с поплавками и поддерживаемым с помощью лебёдок. Экран предотвращает испарение с поверхности пруда и ухудшает условия роста водных растений. Патент №2758268 выдан на пруд-накопитель дренажного стока, в котором защитный экран выполнен из двух частей соединенных контейнером, состоящим из жесткой рамы с емкостью из сетки с ячейками 1,0-1,5 мм. На раме контейнера размещена щетка с тросиками, концы которых выведены на берега пруда, где установлены наклонные желоба. С помощью тросиков щётку перемещают по дну контейнера к наклонным желобам, извлекая по ним мусор смытый с поверхности экрана. [18]. В связи со строительством мелиоративных систем с закрытыми пластмассовыми дренами началась активная разработка труб коллекторов-накопителей дренажного стока. Наиболее интересным техническим решением представляется закрытая осушительно-увлажнительная система с подземным коллектором-собирателем. Эта система оборудована дренажными колодцами, к которым подключены горизонтальные трубы-накопители, выполненные из труб большого диаметра. Такая конструкция сети позволяет увеличить объем накапливаемого дренажного стока [19]. Производственные испытания показали, что дренажные колодцы с радиальными трубчатыми накопителями, выполненными из труб большого диаметра, позволили сохранить для орошения порядка 300м3/га воды [20]. Такие запасы позволяют провести 2-3 полива с забором воды из колодцев-накопителей машинами типа ДДН-70. Как показали исследования, при орошении с использованием способа мелкодисперсного дождевания этого количества воды достаточно для защиты посевов в период засухи продолжительностью более месяца [21]. Для проведения мелкодисперсного дождевания с забором воды из колодцев-накопителей дренажного стока предложена осушительно-увлажнительная система аэрозольного дождевания [22]. На трубе-коллекторе этой системы смонтированы колодцы накопители из которых воду на орошение забирают мобильными установками мелкодисперсного дождевания. Эти установки выполнены на базе передвижных платформ, на которых установлено насосно-силовое оборудование, компрессор и аэрозольный генератор с распылителями воды. При проведении полива платформу устанавливают у дренажного колодца. Воду забирают насосом и подают в генератор аэрозоля куда нагнетают компрессором воздух, образуя аэрозоль. Распределение аэрозоля над поверхностью поля позволяет обеспечить её увлажнение с интенсивность дождя не разрушающей структуру почвы.
При строительстве мелиоративных систем с радиальными трубчатыми накопителями необходимо дополнительно отрывать на полях значительное количество траншей с извлечением на поверхность поля малоплодородного грунта. После засыпки им траншей для восстановления плодородия требуется внесение повышенных норм удобрений. В водооборотной осушительно-увлажнительной системе (патент РФ №2655799) накопители выполняют в виде нескольких рядов вертикальных колодцев, расположенных на склоне выше мелиорируемого участка. Это позволяет располагать их за пределами мелиорируемой площади, а также перехватывать дренажный сток с верхней части площади водосбора. [23]. Новый подход к устройству гидромелиоративной системы в агроландшафте представлен в патенте РФ № 2761875, выданным на «Способ осуществления мелиоративных мероприятий в зоне достаточного увлажнения». При реализации этого способа мелиоративную систему формируют с учетом особенности ландшафта, экспозиции полей. Регулирование паводкового стока начинают уже при формировании снежного покрова с последующим управлением процессом таяния снега и отведения талой воды в каналы-накопители для орошения в летний период. То есть мелиоративную систему встраивают в агроландшафт регулируя сток и создавая запас воды для орошения. [24].
Обсуждение: Рассмотренные описания к патентам на изобретения, выданным в Российской Федерации, являются, концепт-объектами отражающими основные направления в разработке технических решений в области мелиорации. Их применение позволит обеспечить при строительстве и реконструкции мелиоративных систем и сооружений соблюдение требований Водного Кодекса РФ по защите водоисточников от загрязнения. Наиболее перспективными являются мелиоративные системы и сооружения, обеспечивающие накопление и использование диффузного стока в пределах полей. Для очистки воды перед выпуском в водоисточники предложено использовать фильтры с композицией различных ионообменных смол, позволяющие выборочно удалять наиболее опасные загрязнители. В долгосрочной перспективе представляют интерес изобретения связанные с решением задачи разработки мелиоративных систем, встраиваемых в агроландшафт и обеспечивающих использование диффузного и дренажного стока в сочетании с точной подачей накопленной воды к корням растений.
1. Vodnyy kodeks Rossiyskoy Federacii" ot 03.06.2006 N 74-FZ (red. ot 08.08.2024) (s izm. i dop., vstup. v silu s 01.09.2024), 3 iyunya 2006 goda N 74-FZ [Elektronnyy resurs] URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=477133&ysclid=m133wci0qq550605965.
2. Slabunova A.V., Surovkina A.P. O probleme diffuznogo zagryazneniya vodnyh ob'ektov // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii. 2020. №2 (38). S 2.
3. Letuchiy A.V. Landshaftnoe zemledelie // FGBNU VO Saratovskiy GAU. 2016. S 3, 14.
4. Rabochev I.S., Muromcev N.S. Vynos pitatel'nyh veschestv drenazhny-mi vodami // Gidrotehnika i melioraciya. 1980. № 9. S. 78 – 80.
5. Patent RF №2579259 S1, MPK E028 11/00. Drenazhnyy kolodec-poglotitel' dlya priema i otvoda poverhnostnyh vod. /A.A. Ksenzov. – zayavleno 02.02.2015; opublikovano 04.10.2016g. ,byull.№ 10
6. Patent RF №2714837 S1, MPK E02V 11/00. Drenazhnyy kolodec - poglotitel' dlya priema i otvoda poverhnostnyh drenazhnyh vod. / M.I. Golubenko. – zayavleno, opublikovano 19.02.2020g. byull. № 5.
7. Patent RF №2 816 530 S1, MPK E02V 11/00. Sposob osusheniya zatoplennyh zamknutyh ponizheniy/ R.S. Masnyy, G.T. Balakay, A.N. Babichev, V.A. Monastyrskiy, V.I. Ol'garenko. – zayavleno 03.04.2023; opublikovano 01.04.2024.
8. Patent RF №2812424 S1, MPK E02V 11/00. . Sposob kontrolya i ustroystvo dlya lokal'noy ochistki drenazhnogo stoka. /T.I. Drovovozova, A.A. Kirilenko. – zayavleno 10.02.2023,opublikovano 30.01.2024g. byull. № 4
9. Patent RF №2725486 S1, MPK E02V 11/00. Sposob stroitel'stva osushitel'noy sistemy. / V.V. Pchelkin, Yu.N. Nikol'skiy, I.V. Korneev. – zayavleno 20.06.2019; opublikovano 02.07.2020g. byull. № 19 .
10. Bezborodov, Yu. G. Oroshenie sel'skohozyaystvennyh kul'tur v aridnoy zone / Yu. G. Bezborodov, A. G. Bezborodov. – Moskva : Rossiyskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet - MSHA im. K.A. Timiryazeva, 2013. – 545 s.
11. Patent RF №2556732, MPK E02V 11/00. Sposob osusheniya mineral'nyh pochv dlya realizacii tochnogo zemledeliya. / A.A. Ksenzov. – zayavleno 06.06.2014; opublikovano 20.10. 2015g. byull. № 29.
12. Patent RF №2655959 S1, MPK E02V 11/00. Sposob nagnetaniya po-verhnostnoy vody v zemlyu. Nemchik Endryu. – zayavleno 27.06.2014; opublikovano 30.05.2018. byull. №16.
13. Patent RF № 2728365, MPK . Sistema sooruzheniy dlya ochistki drenazhnogo stoka/. V.K. Gubin, E.E. Golovinov, A.P. Solomina, E.B. Strel'bickaya, L.V. Kudryavceva. – zayavleno 26.12.2019; opublikovano 29.07.2020. byull. № 22.
14. Patent RF №2233075, MPK A01 G 25/00. Osushitel'no-uvlazhnitel'naya meliorativnaya sistema /P.I. Pylenok, V.V. Borodychev, A.M. Saldaev. – zayavleno 12.02.2003, opublikovano 27.07.2004g. byull.№21.
15. Patent RF №2076918, MPK E02V 11/00. Osushitel'naya sistema /V.I. Ol'garenko, G.V. Ol'garenko. – zayavleno 17.06.1994 opublikovano 20.04.2002g.
16. Av. Sv. SSSR №1631121 A1, MPK EO2V 11/00. Osushitel'no-uvlazhnitel'naya sistema. /B.S.Maslov, E.I.Oparin. – zayavleno 12.09.1988; opublikovano 28.02.1991g. byull. №8.
17. Patent RF №2663596.S2, MPK E02V 11/00. Osushitel'no-uvlazhnitel'naya sistema. / A.A. Poddubskiy, A.V. Shuravilin, P.A. Dokukin, R.R. Gurina, K.E. Kalaydzhyan. – zayavleno 20.12.2016; opublikovano 07.08.2018. byull.№22.
18. Patent RF № 2758268 S1. MPK E02V 11/00. Prud-nakopitel' dre-nazhnogo stoka. /V.K. Gubin, L.V. Kudryavceva. – zayavleno 25.02.2021; opublikovano 27.10.2021g. byull.№ 30.
19. A. S. SSSR № 896171, MPK E02V 11/00. Osushitel'no-uvlazhnitel'naya sistema / I.V. Minaev. – zayavleno 10.04.1979; opublikovano 07.01.1982g. byull № 1.
20. I.V. Minaev. A.M. Voytovich, Vodooborotnye sistemy v melioracii //Gidrotehnika i melioraciya. 1986. № 6. S. 36–42.
21. V.V. Borodychev, M.Yu. Hrabrov. Melkodispersnoe dozhdevanie kartofelya //Gidrotehnika i melioraciya. 1976. №6. S.75-77.
22. Patent RF №2628341, MPK E02V 11/00. Osushitel'no-uvlazhnitel'naya sistema. / V. K. Gubin, M. Yu. Hrabrov, V. P. Maksimenko, L. V. Kudryavceva, A. P. Solomina, E. B. Strel'bickaya, I. N. Dorofeeva. - zayavleno 21.04.2016; opublikovano 16.08.2017. byull.№ 23.
23. Patent RF №2655799 S1, MPK E02V 11/00. Vodooborotnaya osushi-tel'no-uvlazhnitel'naya sistema. /V.K. Gubin. – zayavleno 31.08.2017; opublikovano 29.05.2018g. Byull. № 16
24. Patent RF № 2761875 S1, MPK E02V 11/00. Sposob reguliruemoy gidromelioracii pochvy v agrolandshafte v usloviyah gumidnogo klimata pri intensivnom zemledelii. /L.P. Voronina, A.A. Ermakov, E.V. Morachevskaya, K.V. Pavlov – zayavleno 06.12.2020; opublikovano 13.12.2021g. byull.№35.
