UDC 631.62
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.06.01
Russian Library and Bibliographic Classification 40
Russian Trade and Bibliographic Classification 5640
BISAC TEC003000 Agriculture / General
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Ameliorative regimes can be regulated by creating favourable groundwater regime: an element of the general complex of ameliorative measures aimed at achieving rational structure of water and salt balance and optimal ameliorative regime of soils. The article considers variants of excess drainage water diversion from waterlogged area, application of numerical modelling for calculation of excess drainage water diversion rate and determines the most effective method
ameliorative regime, groundwater, filtration, pore pressure
Восстановление переувлажненных сельскохозяйственных земель ‒ это комплекс мероприятий, направленных на улучшение их агрономических свойств и восстановление продуктивности. Основной задачей является понижение уровня грунтовых вод и улучшение структуры почвы, что в свою очередь способствует созданию благоприятных условий для роста сельскохозяйственных культур.
На первом этапе необходимо провести анализ состояния земель, выявить причины переувлажнения и определить наиболее эффективные методы дренажа.
Также следует обратить внимание на агротехнические меры: внесение органических удобрений, использование специальных сортов растений и севообороты, способствующие улучшению структуры почвы. Важно внедрять методы биологической рекультивации, которые помогут восстановить естественное самообновление экосистем.
Восстановленные земли способны вновь давать высокий урожай, а также способствовать улучшению экологии в регионе. Таким образом, грамотное восстановление переувлажненных сельхозземель имеет ключевое значение для обеспечения продовольственной безопасности и устойчивого развития сельского хозяйства.
Методы исследования. Переувлажнение земель наносит значительный ущерб: снижается плодородие почв, урожайность сельскохозяйственных культур, а без принятия мер ситуация может усугубиться и восстановление земель будет невозможно. Данная проблема достаточно распространена на территории Краснодарского края. Наши исследования проводились в Динском районе в ООО «Олимп Кубани» на участке площадью 300 га.
Регулирование режима грунтовых вод должно базироваться на детальной характеристике гидрогеологических условий, данных по существующему и прогнозируемому режимам грунтовых вод, водному и солевому балансу. Установленные баланс и типы режимов грунтовых вод определяют направленность мелиоративных мероприятий. Учитывая необходимость экономии и рационального использования оросительной воды, соответствующие мероприятия должны осуществляться в комплексе с мерами по созданию благоприятного режима грунтовых вод. Поэтому сокращение их ирригационного питания необходимо при всех гидрогеологических условиях и всех типах режима грунтовых вод. Оно достигается путем устранения фильтрации из всех звеньев оросительных систем, совершенствованием поверхностных поливов (сокращение оросительных норм, поверхностного и глубинного сбросов, использование различных поливных машин, лотков, гибких и жестких поливных трубопроводов, берущих воду из закрытых водоводов). Искусственный дренаж, необходимый во всех гидрогеологических зонах, кроме естественно интенсивно дренированной. Выбор типа дренажа во многом определяется гидрогеологическими и, в частности, геофильтрационными условиями.
Гидрологический режим обусловлен главным образом влиянием рек, которые определяют сезонные и многолетние колебания уровня грунтовых вод. При этом формирование гидрологического режима зависит от того является ли река источником питания грунтовых вод, или же в период паводка создает подпор грунтовых вод, вызывая повышение их уровня.
На орошаемых и осушенных землях естественный режим грунтовых вод изменяется. При этом степень влияния техногенных факторов и формирующиеся при этом режимы грунтовых вод зависят не только от их естественного режима, а также от вида мелиораций, их технического уровня и качества эксплуатации гидромелиоративных систем. Орошение земель весьма существенно, а часто коренным образом изменяет гидрогеологические условия: интенсивность питания грунтовых вод, их взаимосвязь с нижележащими межпластовыми водоносными горизонтами, глубину их залегания и химический состав, режим, направление движения и характер разгрузки, структуру водного и солевого баланса и т.д. Нередко под влиянием орошения изменяются водно-физические, фильтрационные и другие свойства пород зоны аэрации и водонасыщенных отложений. Кроме того, происходит изменение инженерно-геологических условий под влиянием увлажнения пород оросительными водами и подъема УГВ, вызванного в результате орошения.
Существуют различные методы исследования колебания грунтовых и движения воды в почвогрунте.
Нами было проведено исследование численное исследование грунтового массива исследуемого участка с использованием математического аппарата.
Было разработано три способа отведения излишней грунтовой воды:
- при проведении агротехнических мероприятий (профилирование поверхности);
- устройство дренажных каналов по периметру полей;
- устройство колодцев-поглотителей.
С учетом скорости фильтрации в грунтовом массиве при использовании программного комплекса midas GTS NX было выполнено численное исследование и определены основные параметры и скорость оттока грунтовой воды с полей.
Выполненный анализ математического аппарата позволил оценить процесс движения жидкости и перенос твердых частиц в грунтовом массиве.
В жидкостях, состоящих из нескольких компонентов – жидкость/частицы, где компоненты имеют разную плотность установлено, что компоненты могут принимать различные скорости потока. Различия в скорости возникают из-за того, что различия в плотности приводят к неоднородности тела. Часто различия в скоростях могут быть очень выраженными. При этом относительные скорости достаточно малы, чтобы их можно было описать как «дрейф» одного компонента через другой.
Теория «дрейфа» позволяет оценить является ли инерция, причиной дисперсного перемещения компонентов. Если инерцией относительного движения можно пренебречь, а относительную скорость свести к равновесию между движущей силой (например, гравитацией или градиентом давления) и противоположной силой сопротивления между компонентами, то можно говорить о «дрейф-потоке». Скорости дрейфа в первую очередь ответственны за перенос масса и энергии.
Идея, лежащая в основе модели «Дрейфа», заключается в том, что относительное движение между компонентами могут быть аппроксимированы как континуум, а не дискретными элементами (например, частицы). Это повышает вычислительную точность, так как необходимость отслеживания движение и взаимодействия дискретных элементов вычислять не нужно.
Формулировка относительной скорости в приближении дрейфа определяется по формуле:
Объемные доли двух компонентов, входящих в состав смеси, обозначаются как 
, где:
Если предположить, что две фазы несжимаемы, то импульсное равновесие для непрерывной фазы равно:
в то время как для дисперсной фазы равно:
где
маленькая скорость относится к скорости каждой фазы относительно небольшого, но конечного объема жидкости;
Целью модели дрейфа-потока является расчет движения двух фаз относительно усредненной по объему скорости,
. При этом средневзвешенная по объему скорость равна:
Выбирается средневзвешенная по объему скорость, а не по массе средняя, потому что вычитание уравнения (3) из уравнения (4) дает уравнение для относительной скорости, где
Цель состоит в том, чтобы определить относительную скорость,
На основании изложенного, далее для анализа движения жидкости (воды) в грунтовом массиве будем использовать закон Дарси:
где
|
|
|
|
|
|
Закон Дарси описывает пропорциональную зависимость между скоростью фильтрации в грунтовой среде и градиентом полного напора. Изначально закон Дарси был получен для водонасыщенных грунтов, но различными исследователями было показано, что закон применим также и для фильтрационного потока в неводонасыщенной среде.
Для грунтового массива, обладающего фильтрацией, будем использовать матрицу коэффициентов фильтрации.
В данной матрице учитывается только диагональная компонента по каждому направлению. Под направлением здесь принято направление в системы глобальных координат грунтового массива.
Скорость фильтрации 
имеет размерность скорости, а действительная скорость фильтрационного потока в грунте представляет собой величину скорости фильтрации деленную на пористость грунта.
Кроме этого, был проведен анализ климатической характеристики участка. На основании проведенного анализа климатических характеристик необходимо констатировать, что среднегодовое количество осадков равно 641 мм. Суммы осадков год от года могут значительно отклоняться от среднего значения.
Распределение осадков в течение года довольно равномерное с некоторым преобладанием в летнее время (июнь-июль), в зимнее время - в ноябре – декабре.
Что касается сезонного распределения осадков, то оно имеет декабрьский максимум, минимум количества осадков отмечается в октябре.
Режим выпадения летних осадков, как правило, носит ливневый характер. Зимой осадки выпадают в виде дождя и мокрого снега.
Максимум числа дней с осадками наблюдается зимой, минимум в конце лета - начале осени. Зимний максимум объясняется длительными обложными осадками, а летний минимум – кратковременными ливнями. Преобладающими в течение всего года являются жидкие осадки, сильные дожди наблюдаются преимущественно в теплое время года. Суточный максимум осадков составляет 78,9 мм (август 1996г).
Результаты. По результатам лабораторных исследований фильтрационных свойств грунтового основания установлены коэффициенты фильтрации элювиальных отложений, которые варьируются в диапазоне от 0,1 до 0,6 м/сут, при этом инженерно-геологический элемент (глина легкая), который распространен повсеместно имеет коэффициент фильтрации равный 0,01 м/сут. Данные зафиксированные параметры примем к дальнейшему исследованию.
Диалоговое окно задания параметров решающей программы представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 – Задание параметров решающей программы
Далее осуществляются исследования параметров при соответствующих коэффициентах фильтрации элювиальных отложений равном 0,1; 0,2 и 0,6 м/сут.
Выполнено исследование на предмет определения проницаемости инженерно-геологических элементов рассматриваемого среза.
а) левая часть поля, б) правая часть поля
Рисунок 4 – Проницаемость инженерно-геологических элементов
Результаты расчета по распространению линий тока представлены на рисунке 5.
а) левая часть поля, б) правая часть поля
Рисунок 5 – Распространение линий тока
Анализ распространения линий тока показывает, что значимый отток воды прослеживается по периметру рассматриваемого орошаемого участка, при этом по мере приближения к центру отток существенно уменьшается с дальнейшим стремлением к полному его отсутствию.
Результаты расчета оттока свидетельствует о суммарном оттоке численно равном 0,323 м3/сут с метра погонного геологического среза мощностью 4,7 и 3,9 м соответственно, что представлено на рисунке 6.
Рисунок 6 – Суммарный отток воды
Учитывая площадь рассматриваемого орошаемого участка при выполнении численного участка равную 3 000 000 м2 и количество осадков, принятое к рассмотрению – 78,9 мм. На основании представленного объем осадков, выпавший на горизонтальную площадь, будет составлять 215 397 м3. Следует, что необходимое время для фильтрационного оттока воды при коэффициенте фильтрации 0,1 м/сут будет составлять 67,3 сут
Аналогично проведено исследование при коэффициентах фильтрации 0,2 и 0,6 м/сут и время оттока составило 37,8 и 13,8 суток соответственно. Время фильтрационного оттока было рассчитано для случая при использовании агротехнических мероприятий. При тех же коэффициентах фильтрации 0,1; 0,2 и 0,6 время оттока составило 119,7; 59 и 19,9 суток соответственно. Самым эффективным оказался способ с устройством колодцев-поглотителей, здесь время оттока равно 23,7; 13,1 и 4,7 суток.
Вывод. Для проведения комплексного исследования изменения уровня грунтовых и скорости их отвода с участка переувлажнения был выполнен расчет с использованием математического аппарата и численного алгоритма проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ. Предложенный математический аппарат может быть использован для мониторинга и прогнозирования оттока дренажных вод с целью принятия управленческих решений и рекомендаций по проектированию мелиоративных систем двойного регулирования в рассматриваемом регионе в зависимости от гидрологических и гидродинамических параметров.
Данные получены для условий без разработки комплексных мелиораций. На данном участке рекомендована разработка осушительно-оросительной системы для поддержания в постоянном режиме оптимально водно-воздушного режима почвы с требуемой влажностью.
Применяемый математический и численный аппарат позволяет значительно сократить объем натурных исследований и свести к минимуму экспериментальные работы. Модели и алгоритмы могут быть использованы для прогнозирования процесса фильтрации воды и изменения уровня воды в толще почвогрунта, а также поможет быстро подобрать наиболее оптимальный способ эффективного удаления избыточных дренажных вод с участка подтопления.
1. Groundwater level management in a reclamation system / K. Kolesnichenko, A. Khadzhidi, A. Novikov, L. Kravchenko // BIO Web of Conferences. – 2024. – Vol. 113. – P. 04016. – DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/202411304016.
2. Dmitriev S.I., Nechaev B.K. K voprosu o primenimosti uravneniya diffuzii dlya izucheniya yavleniya vlagoprovodnosti v pochvogruntah // Tr. LGMI, 1962. Vyp.13. S. 247-265.
3. Kalyuzhnyy I. L., Pavlova K. K. Eksperimental'nye issledovaniya processa vodootdachi pochvy pri razlichnyh skorostyah izmeneniya urovnya gruntovyh vod // Voprosy gidrofiziki pochv : trudy GGI. Vyp. 268 L., 1980. S. 39-50.
4. Mokeev, V. V. Mnogofaktornyy intellektual'nyy dinamicheskiy analiz sistem / V. V. Mokeev // Upravlenie investiciyami i innovaciyami. – 2015. – № 2. – S. 18-27. – EDN VPWNAX.
5. Patankar S. Chislennye metody resheniya zadach teploobmena i dinamiki zhidkosti. Per. s angl. (1980 g), M.: Energoatomizdat, 1984. ‒ 152 s.
6. Patent № 2492292 C1 Rossiyskaya Federaciya, MPK E02B 3/02, E02B 3/04. Sposob ohrany zemel' pribrezhnyh landshaftov rek: № 2012101379/13 : zayavl. 16.01.2012 : opubl. 10.09.2013 / E. V. Kuznecov, H. I. Kilidi, A. E. Hadzhidi ; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovaniya «Kubanskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet».
7. Yaschenko K. V. Regulirovanie urovnya gruntovyh vod dlya ohrany zemel' ot podtopleniya i issusheniya / K. V. Yaschenko, S. Alhatter // Nauchnoe obespechenie agropromyshlennogo kompleksa : Sbornik statey po materialam IX Vserossiyskoy konferencii molodyh uchenyh, Krasnodar, 24–26 noyabrya 2015 goda / Otvetstvennyy za vypusk: A.G. Koschaev. – Krasnodar: Kubanskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet, 2016. – S. 908-909.
