Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
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 5607
BISAC TEC003080 Agriculture / Agronomy / General
The main function of drainage is to remove excess gravitational water from the surface root layer. The conditions for the flow of this water can be improved by shortening the water filtration path and reducing filtration resistance. As studies show, these tasks are especially relevant for low-permeability soils and poorly cultivated soils. The historical path of development of drainage systems in the zone of excess moisture went towards reducing the distances between drains. However, even with inter-drain distances of 8–10 meters, the required drainage intensity is not achieved in high-water years with precipitation of 10%. The article provides a detailed description of the design of a highly efficient two-tier drainage system, which allows increasing the distances between tubular drains. Drainage efficiency is achieved by a network of shallow collectors filled with material with a high filtration coefficient, located above the tubular drains and connected to them at the intersections by absorption columns. The results of the hydraulic calculation of cavity-free drains of the upper tier are presented. A comparison of two-tier drainage with widespread systematic drainage and experimental design of closed collectors in terms of material requirements is made
cavity-free drainage, drainage, poorly permeable soils, drainage cost, closed collectors
Вопросы повышения интенсивности осушения слабоводопроницаемых грунтов до сих пор находятся в центре внимания работников сельского хозяйства, прежде всего Нечерноземной зоны России. Можно выделить три этапа в решении этой проблемы. В тридцатые годы предыдущего столетия в России применялась разработанная в Германии система осушения в виде сочетания закрытого дренажа: расстояние между дренами 12…13 м с бороздами, которые прокладывались поперек дрен через 4…6 м. В этом случае поверхностные воды отводились бороздами, а верховодка дренами. В 50‑х годах СевНИИГиМ предложил осушать слабоводопроницаемые грунты системой, состоящей из разреженной сети каналов через 60…100 м или дрен через 18…25 м в сочетании с агромелиоративными мероприятиями. Начиная с 70‑х годов, пытались повысить эффективность действия дренажа путем сокращения расстояний между дренами до 8…10 м. Однако и при этих расстояниях между дренами системы не обеспечивали требуемую интенсивность осушения в годы с осадками 10% обеспеченности. Основная причина – низкая водопроницаемость грунтов подпахотного слоя и дренажной засыпки, хотя последняя и выполнялась в ряде случаев из грунтов пахотного слоя. История мелиоративных, в том числе осушительных, систем рассматривается рядом авторов [1–3]. В частности, показано, что на современном этапе возрастает экологическая роль дренажа. З
адачей осушительных систем становится не только отвод избыточной влаги, но и в целом регулирование водного режима почвы, в том числе и с целью предотвращения вымывания из нее питательных веществ, например, азота [4, 5]. Некоторые статьи посвящены совершенствованию экономического подхода к проектированию дренажных систем, предлагается выполнять многофакторный анализ экономической эффективности сельскохозяйственных мероприятий, в том числе и с учетом наблюдаемых изменений климата [6, 7] Полевые и теоретические исследования по осушению слабоводопроницаемых грунтов как отечественных, так и зарубежных ученых позволяют сделать выводы: ● для отведения избыточной воды из пахотного слоя в требуемые сроки расстояния между дренами в зависимости от степени его окультуренности и мощности должны быть от 5 до 9 м. При этом даже в средние по осадкам годы поверхностным стоком отводится 40…80% годового стока; ● многолетние наблюдения за дренажным стоком, в том числе в Ленинградской области показали, что фактические модули дренажного стока 10 % обеспеченности для периода осушения продолжительностью одни сутки равнялись 1,7…2,6 л/с·га. Засыпка должна обеспечивать надежную гидравлическую связь дрен с пахотным слоем; ● для отведения избыточной воды из пахотного слоя в требуемые сроки расстояние между дренами должно быть в среднем 5 м в зависимости от степени его окультуренности и мощности. Если время снижения уровня до нормы осушения превысит одни сутки, то снижение урожайности картофеля составит до 10%; при превышении двух суток уже до 20% картофеля и до 10% яровых зерновых. Это свидетельствует о необходимости увеличения расчетного модуля дренажного стока до 1,5…2 л/с·га.
|
Вид дренажа |
Дренажный сток, мм |
||||
|
Зима |
Весна |
Лето |
Осень |
Год |
|
|
Двухъярусный |
72 |
44 |
- |
12 |
128 |
|
Закрытые собиратели |
52 |
34 |
- |
11 |
97 |
|
Систематический |
39 |
26 |
- |
10 |
75 |
Таблица 1 Дренажный сток в 1988/89 гидрологическом году
Для отвода гравитационной воды только из пахотного слоя за одни сутки расстояние между осушителями в слабоводопроницаемых грунтах должно быть: в слабоокультуренных почвах 2…3 м, в среднеокультуренных – 5 м; хорошо окультуренных до 7…9 м. Практически всем этим требованиям удовлетворяют осушительные системы двухъярусного дренажа на базе бесполостного [8, 9], до разработки которых наибольшую интенсивность осушения обеспечивали закрытые собиратели. Обе конструкции не менее чем в трех повторностях построены на двух объектах в Ленинградской области: «Ленинские искры» и «Зайцево». На рис. 1 представлены конструкции двухъярусного дренажа и закрытых собирателей, построенные на опытном участке «Ленинские искры».
Рис. 1. Конструкции дренажных систем: а – двухъярусный дренаж, б – закрытые собиратели; 1 – пахотный слой; 2 – слабоводопроницаемый грунт; 3 – засыпка песчано-гравийной смесью (ПГС), поперечный профиль сохраняется вдоль всей дрены; 4 – засыпка перемешанным (извлеченным при рытье траншей с пахотным слоем) грунтом; 5 – бесполостные дрены (щепа); 6 – трубчатые дрены
Рис. 2. Осредненные гидрографы дренажного стока на сравниваемых вариантах в период паводка: 1 – двухъярусный дренаж (3 повт.); 2 – систематический дренаж (17 повт.
Из табл. 1 и рис. 2 следует, что гидрологическая эффективность действия двухъярусного дренажа выше по сравнению с закрытыми собирателями. Так как при строительстве в этих системах используются одни и те же строительные материалы и механизмы, то затраты на их строительство будут пропорциональны объемам материалов затраченных, например, на 1 га площади каждый из систем. На участке «Ленинские искры» засыпка дрен верхнего яруса выполнялась из щепы. Однако количество материалов при строительстве двухъярусного дренажа можно еще сократить, если полостные дрены к нижнему ярусу подключать через поглотительные колонки (рис. 3). Приведем результаты гидравлического расчета бесполостного дренажа для осушительной системы, представленной на рис. 4.
Рис. 3. Конструкция двухъярусного дренажа с поглотительными колонками: 1 – трубчатые дрены нижнего яруса; 2 – узлы сопряжений дрен верхнего яруса с трубчатыми дренами (поглотительные колонки); 3 – бесполостные дрены верхнего яруса через 5 м; 4 – пахотный слой; 5 – геотекстиль для защиты бесполостных элементов; 6 – слабоводопроницаемый грунт; 7 – объемный фильтр трубчатой дрены Н=0,2 м
Принципы гидравлического расчета ранее были изложены в ряде статей, например в [8–11]. Исходные данные: заполнитель – щебень фракции 5…10 мм. Ширина бесполостных дрен по основанию 10 см. Расстояние между дренами нижнего яруса 30 м. Бесполостные дрены подключаются к дренам нижнего яруса через одну, то есть через 60 м. Бесполостные дрены прокладываются без уклона. Принимаем расчетные значения модуля дренажного стока 2 л/с·га. Принимаем также, что бесполостные дрены включаются в работу с момента оттаивания пахотного слоя и нижний ярус работает на прием только стока из дрен верхнего яруса. Расчеты показали, что практически на всей длине каждой из бесполостных дрен будет ламинарный режим движения, и максимальная расчетная глубина воды в них будет 22 см. Учитывая, что в бесполостных дренах не рекомендуется напорный режим движения, принимаем высоту заполнителя бесполостной дрены равной 25 см. Заполнитель поглотительных колонок имеет тот же состав, что и в бесполостных дренах.
В статье [11] приводятся три вида опытных конструкций, предназначенных для осушения хорошо окультуренных почв, расположенных на слабоводопроницаемых грунтах. На опытно-производственных участках было проведено сравнение эффективности действия экспериментальных дренажных систем с традиционной конструкцией, которая широко использовалась в практике мелиорации. Сравнение эффективности выполнено по величине урожайности четырех видов сельскохозяйственных культур. Срок наблюдения за урожайностью составлял от двух до семи лет. Гидрологическая эффективность экспериментальных систем обусловлена улучшением гидравлической связи дренажа с пахотным слоем, по которому в основном и перемещается гравитационная вода в случае слабоводопроницаемого основания. Приведем данные [11] о конструкции и урожайности на экспериментальных системах (табл. 2). Данные об урожайности капусты исключены из сводки, так как она является влаголюбивой культурой и интенсивное осушение снижает урожайность этой культуры. Средняя строительная стоимость системы двухъярусного дренажа на участке «Зайцево» составила (в ценах 1986 г.) 7,35 тыс. руб./га. Переведем эту сумму в современные цены. Согласно письму [12] переводной коэффициент цен для сельского хозяйства к ценам 1990 г. составляет 1,59. Согласно письму [13] дальнейший перевод цен к уровню I квартала 2010 г. для Ленинградской области выполняется с коэффициентом 14,283. Согласно письму [14] перевод цен I квартала 2010 г. к IV кварталу 2020 г. осуществляется с коэффициентом 8,15. Пересчет после 2020 г. осложняется отсутствием общего переводного индекса и выполнялся по значениям инфляции трех последующих лет. В результате для приведения цены 1986 г. к цене 2023 г. использовано выражение: К К 2023 1986 241 189 7350 241 189 1772 741 = р уб. / га.
Рис. 4. Разрез 1–1 рис. 3. Поглотительная колонка (узел соединения верхнего и нижнего яруса)
Другая возможная оценка стоимости строительства такой системы может быть выполнена на основании письма [15], согласно которому переводной индекс для Северо-Западного федерального округа составляет в среднем 348,59. При расчете по этой методике стоимость строительства 1 га осушительной системы двухъярусного дренажа равна 2562 137 руб. Точную стоимость строительства в современных условиях можно установить только после детальной разработки технологии, однако приведенные цифры дают представление о порядке капитальных вложений. Сравним экспериментальные системы с контрольной по основным строительным объемам, которые в основном и влияют на их сметную стоимость.
Таблица 2 Средняя урожайность сельскохозяйственных культур на участках «Ленинские искры» и «Зайцево», т/га
|
Вид дренажа |
Материал засыпки |
«Ленинские искры» |
«Зайцево» |
||
|
однолет-ние (1988, 1989 гг.) |
свекла (1988, 1992 гг.) |
морковь (1989, 1993, 1995 гг.) |
однолет-ние (1988-1995 гг.) |
||
|
Систематический дренаж через 10 м (контроль) |
Объемный фильтр слоем 0,2 м из ПГС, щепы, гумуса |
29,4 100 |
26,7 100 |
23,0 100 |
15,3 100 |
|
Закрытые собиратели |
Сплошная засыпка из ПГС, щепы до плужной подошвы |
44,9 153 |
35,1 131 |
38,9 170 |
16,8 110 |
|
Двухъярусный дренаж: нижний ярус – через 30 м, верхний через 5 м. |
Нижний ярус: сплошная или прерывистая засыпка; верхний ярус – бесполостные дрены из ПГС, щепы |
41,0 140 |
39,8 150 |
35,9 156 |
18,2 112 |
Таблица 3 Строительные объемы систем дренажа
|
Тип осушительной системы |
Выемка грунта, м3 |
Труба, м |
Засыпка ПГС или щебнем, м3 |
Засыпка щепой или щебнем, м3 |
Обратная засыпка, м3 |
Вывоз грунта, м3 |
Количество колодцев, шт |
|
Двухъярусный дренаж* |
416 |
330 |
65 |
75 |
274,5 |
141 |
7 |
|
Закрытые собиратели* |
350 |
1000 |
200 |
- |
150 |
200 |
20 |
|
Систематический дренаж (контроль)* |
350 |
1000 |
50 |
- |
300 |
50 |
20 |
|
Двухъярусный дренаж с параметрами по гидравлическому расчету из этой статьи |
320 |
330 |
15,5 |
49 |
255 |
64,27 |
7 |
В табл. 3 приведены объемы в расчете на 1 га площади осушительной системы. Кроме перечисленного, для защиты двухъярусного дренажа от заиления требуется 215 м2 /га геотекстиля.
Выводы 1. Двухъярусный дренаж с бесполостными дренами верхнего яруса обеспечивает надежную гидравлическую связь пахотного слоя с трубчатыми дренами, благодаря чему, согласно проведенным исследованиям, обеспечивает максимальный модуль дренажного стока, что требуется в современных условиях изменения климата. 2. Двухъярусный дренаж вступает в действие сразу же после оттаивания пахотного слоя и предотвращает переувлажнение в ранневесенний период, что критически важно в посевной период в многоводные годы. 3. По объемам материала двухъярусный дренаж мало отличается от контрольного варианта (стандартный систематический дренаж), хотя стоимость его сооружения относительно велика и составляет при расчете по использованным методикам 1,8…2,6 млн р/га
1. Agarev, A. F. Razvitie melioracii v SSSR v 1965-1980-e gody (po materialam Ryazanskoy oblasti) / A. F. Agarev, O. V. Buzenkova // Vestnik Ekaterininskogo instituta. – 2016. – № 2(34). – S. 3-7. – EDN WXOJUB.
2. Valipour, M., Krasilnikof, J., Yannopoulos, S., Kumar, R., Deng, J., Roccaro, P., Mays, L., Grismer, M. E., & Angelakis, A. N. (2020). The evolution of agricultural drainage from the earliest times to the present. In Sustainability (Switzerland) (Vol. 12, Issue 1). https://doi.org/10.3390/SU12010416
3. Yannopoulos, S. I., Grismer, M. E., Bali, K. M., & Angelakis, A. N. (2020). Evolution of the materials and methods used for subsurface drainage of agricultural lands from antiquity to the present. In Water (Switzerland) (Vol. 12, Issue 6). https://doi.org/10.3390/w12061767
4. Shailendra Singh, Rabin Bhattarai, Lamyaa M. Negm, Mohamed A. Youssef, Cameron M. Pittelkow Evaluation of nitrogen loss reduction strategies using DRAINMOD-DSSAT in east-central Illinois, Agricultural Water Management, Volume 240, 2020, https://doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106322
5. Kielo Isomäki, Aleksi Salla, Heidi Salo, Harri Koivusalo; Hydrological effects of open ditch damming and controlled subsurface drainage in a Nordic agricultural field. Hydrology Research 1 February 2024; 55 (2): 112–127. doi: https://doi.org/10.2166/nh.2024.053
6. Shirsath, P. B., Aggarwal, P. K., Thornton, P. K., & Dunnett, A. (2017). Prioritizing climate-smart agricultural land use options at a regional scale. Agricultural Systems, 151. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2016.09.018
7. Akpoti, K., Kabo-bah, A. T., & Zwart, S. J. (2019). Agricultural land suitability analysis: State-of-the-art and outlooks for integration of climate change analysis. In Agricultural Systems (Vol. 173). https://doi.org/10.1016/j.agsy.2019.02.013
8. Expansion of pipeless drainage functions for draining poorly permeable soils / V. Shtykov, Yu. G. Yanko, Ju. Kantsiber, A. Ponomarev // II International Conference on Agriculture, Earth Remote Sensing and Environment (RSE-II-2023), Dushanbe, Republic of Tajikistan, 19–21 aprelya 2023 goda. Vol. 392. – Les Ulis: EDP SCIENCES S A, 2023. – P. 02033. – DOIhttps://doi.org/10.1051/e3sconf/202339202033. – EDN RUWTZJ.
9. Shtykov, V. I. Progressivnye konstrukcii drenazha dlya osusheniya slabovodopronicaemyh gruntov / V. I. Shtykov, A. I. Klimko // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. – 1997. – № 1. – S. 43-45.
10. Shtykov, V. Hydraulic Design of a Component Cavity-Free Drains at Transient Water Flow in the Aggregate / V. Shtykov, A. Ponomarev // International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021, Novosibirsk, 11–14 maya 2021 goda. Vol. 402-1. – Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2022. – P. 324-333. – DOIhttps://doi.org/10.1007/978-3-030-96380-4_36. – EDN DRIRYN.
11. Shtykov, V. Hydraulic Analysis of a Sloped Trapezoidal Non-cavity Drain Improved by a Pipe Drainage / V. Shtykov, A. Ponomarev, Ju. Yanko // Transportation Research Procedia, Novosibirsk, 25–29 maya 2020 goda. – Novosibirsk, 2021. – P. 768-774. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.trpro.2021.02.129. – EDN QBAAMO.
12. Ob indeksah izmeneniya stoimosti stroitel'no-montazhnyh rabot i prochih rabot i zatrat v stroitel'stve / Pis'mo ot 6 sentyabrya 1990 goda №14-D. – Gosudarstvennyy stroitel'nyy komitet SSSR
13. O rekomenduemyh k primeneniyu v I kvartale 2010 g. indeksah izmeneniya smetnoy stoimosti stroitel'no-montazhnyh rabot, indeksy izmeneniya smetnoy stoimosti proektnyh i izyskatel'skih rabot, indeksy izmeneniya smetnoy stoimosti proektnyh rabot i zatrat, a takzhe indeksy izmeneniya smetnoy stoimosti oborudovaniya / Pis'mo ot 20.01.2010 goda №1289-SK/08 – Ministerstvo regional'nogo razvitiya Rossiyskoy Federacii
14. O rekomenduemoy velichine indeksov izmeneniya smetnoy stoimosti stroitel'stva v IV kvartale 2020 goda, v tom chisle velichine indeksov izmeneniya smetnoy stoimosti stroitel'no-montazhnyh rabot, indeksov izmeneniya smetnoy stoimosti puskonaladochnyh rabot, indeksov izmeneniya smetnoy stoimosti proektnyh i izyskatel'skih rabot / Pis'mo Minstroya Rossii ot 02.11.2020 № 44016-IF/09
15. Ob indeksah izmeneniya smetnoy stoimosti stroitel'stva po Federal'nym okrugam i regionam Rossiyskoy Federacii na aprel' 2023 goda / Pis'mo inzhenerov smetchikov ot 10.04.2023 g. №SS/2023-04ti
