UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 110000 СЕЛЬСКОЕ И РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Analysis of field data on the operation of existing polder systems and the results of numerical experiments shows that re-construction of existing polder systems based on experimentally determined values of the drainage flow modulus has a significant potential to increase the efficiency of their operation.
polder system, the uniformity of drying, mathematical model
Действующие польдерные системы Неманской низменности Славского района Калининградской области нашли применение при сельскохозяйственном освоении безуклонных и малоуклонных затапливаемых территорий Общая площадь польдерных систем низменности составляет 65 800 га, из которых 32 820 га осушено закрытым материальным дренажем. Эффективность работы польдерных систем определяется работой насосной станции, управляющей откачкой избытка дренажного стока с осушаемого массива [1]. Закрытый материальный дренаж запроектирован на значения модуля дренажного стока q = 1,1…1,2 л/(с·га). Соответственно и топология действующих систем запроектирована на обеспечение производства на массивах осушения монокультуры – трав. Переход на ведение на осушаемом массиве с.-х. производства с использованием многопольного севооборота требует внесения в топологию сети проводящих каналов и конструкцию системы существенных изменений, зависящих от размеров площади осушаемого массива.
В климатических условиях Неманской низменности Калининградской области получение стабильно высоких урожаев сельскохозяйственных культур может быть достигнуто только с использованием орошения дождеванием, реализовать которое в условиях равнинного рельефа возможно только с устройством наливных водохранилищ [2, 3]. Необходимо отметить, что создание наливных водохранилищ на Неманской низменности затруднительно ограниченностью водных ресурсов территории.
Сложившаяся тенденция проектирования и строительства польдерных систем, уменьшение площади массивов осушения и увеличение производительности насосных станций основаны на практическом опыте
эксплуатации и исследованиях действующих систем, запроектированных с использованием существующих методов [4, 5, 7].
|
N п/п |
Культура |
Период |
Почвы осушаемого массива. |
||
|
Глина |
Суглинок |
Супесь, торф |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Полевые культуры |
Весна Лето |
1.75 1.45 |
1.50 1.20 |
1.25 0.90 |
|
2 |
Луга и пастбища |
Весна Лето |
1.15 1.05 |
0.95 0.90 |
0.75 0.70 |
|
3 |
Овощи |
Весна Лето |
2.10 1.75 |
1.80 1.45 |
1.50 1.10 |
Расчет параметров насосной станции и каналов проводящей сети действующих систем проведен по гидрологическим зависимостям, не учитывающим проектных характеристик дренажа, определяемых принятым при проектирования дренажа значением модуля стока q = 1,1…1,2 л/(с·га) [4–7, 8]. Формула Г.А. Алексеева для расчета расходов воды весеннего половодья (изложена в работе «Временная инструкция по водохозяйственным и гидравлическим расчетам осушительных систем с механическим водоподъемом в Калининградской области». М.: Росводстрой, 1949), примененная при расчете параметров польдерных систем 15 и 36, 38, 46 в 1971 и 1973 г., предполагает значения максимальных расходов стока, приведенных в таблице (формула Г.А. Алексеева нашла применение при расчете параметров каналов и производительности насосной станции 60 [8]).
Указанные в таблице нормы расхода относятся к осушаемым участкам польдеров, обслуживаемым одной насосной станцией. Для участков в 2000 и 4000 га нормы следует уменьшить соответственно на 10 %
и 20 %, а для участков в 500 га увеличить на 10 %.
Экспериментальные гидрологические исследования работы действующих польдерных систем, проведенные В.А. Филатовым для Неманской низменности и В.Ф. Галковским для Белорусского Полесья показывают, что эффективность работы дренажа определяется зависимостями стока с польдерных систем от их площади, то есть дренаж, запроектированный на модуль дренажного стока q = 1,1…1,2 л/(с·га) будет эффективен для площадей ориентировочно до F < 1100…1600 га (рис. 1) [3, 6]. Фактически это означает, что дренаж, имеющий установленную в полевых экспериментах эффективность работы в пределах q = 1,1…1,31 л/(с·га) для площади массива осушения F = 3500 га действующих польдерных систем не будет превышать значение модуля q = 0,7 л/(с·га) (рис. 2) [4–6].
Поскольку дренаж польдерных систем запроектирован на модули стока q = 1,1…1,2 л/(с·га), то становится очевидной необходимость исследования работы действующих систем Неманской низменности.
В частности, это относится к польдерным системам с построенным материальным дренажем: 15, 29, 35, 38, 50, 51 с площадью осушаемого массива соответственно F = 2420, 2980, 3461, 3461, 3340, 4940 га.
Из приведенных экспериментальных данных на рисунке следуют зависимости [7]:
qпрсF = qдpс./(1 – φвп)F; qнсF = qдpс./ φвпF; (1)
φвп = 13,8/(F + 450)0,438 (2)
где qпрс – модуль стока для расчета параметров проводящей сети, л/(с·га); qнс. – модуль стока для расчета производительности насосной станции, л/(с·га); qдpс – модуль дренажного стока, л/(с·га); φвп – модуль редукции стока весеннего половодья.
Зависимости (1) и (2) вносят некоторую определенность в расчет польдерных систем и могут быть применены для предварительных расчетов.
Рис. 1. а) Аппроксимирующие зависимости фактических значений модулей стока с польдерных систем. (б). Неманская низменность (- -) q=А×F-0.43, 4 – А=26.0 при обеспеченности Р=1%, 5 – 21.6–Р=5%, 6 – 16.0–Р=25%, •, ○–экспериментальные данные [6], Белорусское Полесье (−−) 1-маловодный год - q=145F-0.89, 2 – средневодный год – q=11.5F—0.41, 3 – многоводный год – q=3.1e-0.00064F [4-6].
б) Зависимость модуля откачки с польдерных систем от размеров площади осушаемого массива. 1 – q = 0.6+2.0exp(-0.001F), весеннее половодье, 2 – q = 0.4+3.7exp (-0.0008F), летне-осенний паводок, •, ○–экспериментальные данные [4, 5]
Проведенные системные экспериментальные исследования работы действующих систем 15, 20, 29,35, 37, 41 выявили характерную для них неравномерность осушения массива, приводящую к снижению эффективности работы дренажа до 35…40 %. При откачке в открытых каналах проводящей сети действующих польдерных систем формируются уклоны свободной
поверхности воды в пределах і = (1,5…2,5)10–4, влияние которых на уровень воды в каналах распространяется на расстояние L = 3,5…5 км и формирует динамику уровней грунтовых вод, имеющую для польдерной
системы 15 следующий вид:
iугв = 6,7e–0.00026L
где iугв – уклон грунтовых вод; L – расстояние от рассматриваемой дренажной системы по каналу до створа насосной станции, м.
Многолетнее изучение работы дренажа, проведенное на производственно-экспериментальных участках «Шиповский» (самотечная система с орошением дождеванием, F = 46 га) и «Аксеново» (польдерная система нс116а с орошением дождеванием, F = 116 га) показало, что рассчитанные по использованным методам параметры дренажа действующих польдерных систем, имеют эффективность работы, существенно превышающую их проектные параметры [10, 11, 17, 18].
Расстояние между дренами польдерных систем рассчитывалось преимущественно по формулам С.Ф. Аверьянова [9]:
где K – коэффициент фильтрации; H1 – начальное положение грунтовых вод; H2 – искомое положение кривой депрессии; T – время понижения уровня грунтовых вод от H1 до H2.
При проведении реконструкции польдерной системы 15 расстояние между дренами в режиме осушения рассчитывалось по формуле стационарной фильтрации С.Ф. Аверьянова (1970 г.):
Превышение фактической эффективность работы построенного дренажа действующих польдерных систем над их проектными параметрами приводит к необходимости его экспериментальной проверки при проведении реконструкции систем [10, 11, 17, 18].
Анализ результатов исследований работы действующих польдерных систем показал, что для достижения планируемых эксплуатационных характеристик расчет параметров польдерной системы должен быть проведен одновременно с учетом всех составляющих систему элементов в динамическом режиме с использованием предложенной проблемно-ориентированной математической модели [4–7, 17, 18].
Расчет фильтрация грунтовых вод в междренной полосе достаточно хорошо описывается квазилинейным двухмерным нестационарным уравнением капиллярной модели, реализуемой совместно с моделью переноса влаги по пленкам [10, 11, 17, 18].
При расчете переноса влаги по пленкам использована физическая модель порового пространства почвы, предполагающая неразрывность в почвенном массиве пор одного диаметра. Модель с учетом экспериментальных данных распределения пор по диаметрам приводит к гипотезе о наличии в почве минимального объема, характеризуемого спектром распределения пор и независимостью его свойств от расположения и ориентации в почве [12–16]. Использованы также экспериментальные данные [15].
Принятая схематизация формирования стока на осушаемом массиве, основана на интеграле Дюамеля. Непосредственная гидравлическая связь каждой отдельных дренажных систем массива осушения со створом насосной станции, обеспечиваемая созданием в параметрах каналов объемов добегания стока и рассчитываемая по адаптированному к топологии польдерной системы интегралу Дюамеля приводит к равномерному осушению массива [10, 11, 17, 18]:
Wвлэ = qiF.iτi;
Wвлк = ΣqiF.iτi;
Wвлп = ΣWвлкk,
где Wвлэ – объем влияния для элементарной площадки дренажной системы, м3; Wвлк – объем влияния для отдельного единичного канала, м3; Wвлп – объем влияния для польдерной системы в целом, м3; i = 1…n – число дренажных систем с площадью Fi, подсоединtнных к каналу; k = 1…m – число каналов польдерной системы; qi – расчетный модуль стока дренажной системы, м3/(с·га); τi – время добегания расхода дренажной системы до створа насосной станции, с (τi = L / v; L – расстояние от дренажной системы до створа насосной станции, м; v – принятая расчетная скорость движения потока воды в канале, м/с).
Характерное время польдерной системы tпс = τmax = Lmax / vmax определяет время снижения напоров на дренаже до горизонтов его заложения и устанавливает зависимость расстояния между дренами от площади осушаемого массива системы. Наличие такой взаимосвязи подтвердилось при проведении численных экспериментов. Для q = 1 л/(с·га) и коэффициента фильтрации грунта массива kф = 1,5 м/сут зависимость расстояний между дренами Е и площадью массива осушения F имеет вид [10, 11]:
Е = 8 + 32e–F / 1250.
Производительность насосной станции определяется как сумма:
Qнс = Qкан + Qдр = Vкан / tпс,
где Vкан – объем канала от поверхности почвы до минимального горизонта откачки, м3.
Для условия Vкан / tпс = qF осушаемый массив перестает быть активно управляемым.
Математическая модель польдерной системы, ориентированная на расчет параметров систем при работе в режиме осушения, включает также уравнения, описывающие течения воды в каналах проводящей сети и в дрене [10, 11, 17, 18].
Использование математической модели при расчете параметров польдерных систем следует рассматривать как реализуемый ресурс повышения качества проектирования реконструкции польдерных систем. Численные эксперименты, проведенные с использованием математической модели для топологи польдерной системы площадью Fпс = 4000 га показали, что становится возможным получение значения эффективности работы дренажа в виде модуля дренажного стока в пределах qдрф = 0,96…2,31 л/(с·га), соответствующего требованиям к водному режиму почв для всех выращиваемых сельскохозяйственных культур многопольного севооборота на всей площади осушаемого массива в пределах Fпс = 100…4000 га [21].
Топология польдерной системы, использованной в численных экспериментах, имеет следующие параметры: почва – Кф = 1,25 м/сут; площадь отдельных полей F = 500 га; общая площадь массива осушения F = 4000 га.
Рассчитанные уклоны свободной поверхности воды в каналах проводящей сети обеспечивают непосредственную гидравлическую связь дренажных систем с насосной станцией и имеют значения i = 0,000002…0,000014 [18].
Естественно сложившаяся необходимость перехода к ведению на осушаемых массивах с.-х. производства с использованием многопольного севооборота требует корректировки параметров каналов проводящей сети и насосной станции. Необходимо также внесение в топологию сети проводящих каналов и конструкцию системы существенных изменений, зависящих от размеров площади осушаемого массива и фактических значений модулей дренажного стока qдрф, определяемых экспериментальным путем методом «коротких каналов».
Выводы
Результаты многолетних экспериментальных исследований работы польдерных системах и проведенных численных экспериментов позволили сформулировать основные принципы расчета и проектирования реконструкции действующих польдерных систем:
• тип многопольного севооборота сельскохозяйственного производства на массиве осушения реконструируемой системы определяется экспериментальным значением модулей дренажного стока систем qдрф = 1,6…2,51 л/(с·га), полученных методом «коротких каналов»;
• равномерность осушения массива достигается обеспечением непосредственной гидравлической связи отдельных, составляющих массив осушения, дренажных систем со створом насосной станции учетом в параметрах каналов объемов добегания стока, рассчитываемых с использованием адаптированного к топологии польдерной системы интеграла Дюамеля;
• реконструкция польдерной системы заключается в перестроении топологии системы и пересчете параметров сети проводящих каналов и насосной станции в динамическом режиме с учетом всех составляющих польдерную систему элементов с использованием проблемно-ориентированной математической модели и направлена на обеспечение работы фактических значений модулей дренажного стока систем, полученных экспериментальным путем методом «коротких каналов»:
а) реконструкция польдерной системы в варианте с использованием одной насосной станции для массива осушения польдерных систем F < 1400 га для одно- и многопольного ведения сельскохозяйственного производства;
б) реконструкция польдерной системы в варианте с использованием двух и более насосных станций с соответствующим разделением массива осушения и переформатированием топологии сети проводящих кана-
лов и самого осушаемого массива для польдерных систем площадью F > 1400 га для одно- и многопольного ведения сельскохозяйственного производства;
в) строительство и включение в топологию отдельных систем или группы польдерных систем наливных водохранилищ для создания технической возможности проведения орошения дождеванием на осушаемом массиве;
• проведение реконструкции действующих польдерных систем с использованием фактических значениях модулей дренажного стока qдрф и проблемно-ориентированной математической модели имеет существенный потенциал увеличения (в 1,5…2 раза) эффективности их работы для массивов осушения площадью F = 100…4000 га.
1. V.A. Filatov. Rezhim raboty nasosnyh stanciy pri osushenii pol'dernyh zemel'. // Klg.: Gosizdat. 1965. 45s.
2. P.P. Stashkevich. Vliyanie klimaticheskih faktorov na rezhim orosheniya v usloviyah Kaliningradskoy oblasti. // Prirodnye usloviya melioracii zemel' Kaliningradskoy oblasti. Klg. 1977. S.52-58.
3. S.V. Galkovskiy, V.F. Galkovskiy, D.V. Kuzemkin, V.V. Pekun. Tehniko-ekonomicheskie pokazateli nalivnyh vodohranilisch pol'dernyh sistem v zone Poles'ya. // Ekonomika i banki. Mn. 6 2012. № 1. S.59-66.
4. V.A. Filatov. Opyt osusheniya pol'dernyh zemel' kaliningradskoy oblasti. // Melioraciya zemel' v zone vliyaniya ravninnyh vodohranilisch // Trudy VASHNIL. M.: Kolos. 1974. S.169-183.
5. V.A. Filatov. Osobennosti stoka na zimnih pol'derah Nemanskoy nizmennosti Kaliningradskoy oblasti. // Konstrukciya i ispol'zovanie pol'dernyh sistem. // Trudy LitNIIGiM. Elgava: Gosizdat. 1981. S.50-62.
6. V.F. Galkovskiy. Gidrologicheskiy rezhim pol'derov Belorusskogo Poles'ya. // Konstrukciya i ispol'zovanie pol'dernyh sistem // Trudy LitNIIGiM. Elgava: 1981. S.41-79.
7. V.A. Filatov, V.P. Kovalev. Raschet pol'dernyh sistem s uchetom redukcii stoka. //Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. M. 2005. №4. S.31-34.
8. G.A. Alekseev. Shema rascheta maksimal'nyh dozhdevyh pavodkov po formule predel'noy intensivnosti osadkov s pomosch'yu krivyh redukcii osadkov i stoka. // Trudy GGI. 1966. vyp.134 S.44-50.
9. S. F. Aver'yanov. Gorizontal'nyy drenazh pri bor'be s zasoleniem oroshaemyh zemel'. // M.: Akademiya nauk. 1959. 83 S.
10. N. M. Kaschenko, V. P. Kovalev. Raschet lineynyh pol'dernyh sistem. // Problemy ustoychivogo razvitiya melioracii i racional'nogo prirodopol'zovaniya. Materialy yubileynoy mezhdunarodnoy konferencii. M.: 2007. S.195-200.
11. N.M. Kaschenko, V.P. Kovalev, V.V. Vasil'ev. Modelirovanie raboty lineynyh pol'dernyh sistem. Privedenie pol'dernoy sistemy k lineynomu vidu. // Vestnik belorusskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. T4. 2013 g. .108-112.
12. P.P. Bobrov, T.A. Belyaeva, O.V. Galeev, V.I. Ubogov. Diel'ko-vlazhnostnye harakteristiki pochvennyh obrazcov s razlichnym soderzhaniem gumusa v santimetrovom i decimetrovom diapazonah. // Estestvennye nauki i ekologiya. Ezhegodnik OmGPU. 2001. S.3-7
13. S. Nerpin, E. Hlopotenkov. Obobschenie zakona Darsi dlya sluchaev nelineynoy fil'tracii v nenasyschennyh i nasyschennyh gruntah. // Doklady VASHNIL.M. 1970. №11. S.3-17.
14. K.P. Lundin, L.B. Sverdlova. Issledovanie strukturnyh por torfa s pomosch'yu radioaktivnyh izotopov. // Melioraciya i ispol'zovanie osushennyh zemel'. - Mn.: Urozhay. 1966. S.48-67.
15. F.E. Kolyasev. rezul'taty issledovaniya po dvizheniyu vody v pochve pri razlichnyh vlazhnostyah. // Sb. trudov po agronomicheskoy fizike. Vyp.4. M., Ln.: LGIZ-SEL'HOZGIZ. 1948. S.141-164.
16. N.M. Kaschenko, V.P. Kovalev. Raschet vlagoperenosa v pochve pri raschete parametrov drenazha pol'dernyh sistem. // Innovacionnye tehnologii v melioracii. Materialy yubileynoy mezhdunarodnoy konferencii. - M., 2011. S.79-84.
17. N. M. Kaschenko, V. P. Kovalev, V. V. Vasil'ev. Modelirovanie raboty lineynyh pol'dernyh sistem. Raschet perenosa vlagi v mezhdrennoy polose. // Vestnik belorusskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. T.1. 2014 g. S.131-135.
18. N. M. Kaschenko, V.P. Kovalev, V.V. Vasil'ev. Pol'dernye sistemy sel'skohozyaystvennogo naznacheniya. Raschet parametrov rekonstruiruemyh sistem. // Vestnik belorusskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. №.4. 2019 g. S.131-137.
