Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
he purpose of the research was to develop a new technical solution for a tiered modular dehumidifying and humidifying polder system for dual regulation of the water regime of soils, using hose-drum irrigation equipment and using a complex of regulating tanks. The methodological basis of the work was the collection and analysis of well-known design solutions of polder, dehumidifier and other reclamation systems of dual regulation proposed by various scientists such as M. I. Golubenko, V.P. Kovalenko, P.I. Pylenok, B.S. Maslov, V.F. Galkovsky, Yu.A. Mazhaysky, M.A. Volynov, N.I. Golubev, etc. In the process of developing the technical solution of the proposed system, comparative, analytical and logical methods were used, as well as the design method. Considering the wet regions of the Russian Federation, the crops cultivated in them have relatively small irrigation norms, which determines the use of hose-drum sprinkler equipment in relation to polder systems of double regulation with repeated use of runoff. The main idea of the constructive solution of a tier-modular drainage and humidifying polder system with regulating capacities is to protect the territory from flood waters and drainage of the territory during excessive humidification and to ensure maximum use of water resources through coordinated drainage and accumulation of runoff in the regulating tanks of each module of the flooded tier of the polder and humidification of the drained lands, located on two tiers of the system in the required time of irrigation with the use of pumping stations and a combined drainage collector through hydrants when using hose-drum irrigation equipment. The applied modular principle of the developed new system makes it possible to form polder drainage and humidification systems on various farm areas with the appropriate addition of modules adjacent to the water body.
polder, polder system, dehumidification system, module, double regulation, constructive solution, water regime, water resources, regulating capacity
Ведение. В основном польдерные системы нашли применение на безуклонных и малоуклонных мелиорируемых землях, подверженных затоплению или подтоплению, но при этом часто данные земли обладают высоким плодородием. Польдерные системы двойного регулирования, имеющие в своем составе систему механического сброса избыточных дренажных вод за пределы осушаемого массива в сравнении с самотечными системами, имеют более совершенные возможности управления водным режимом, что и обеспечивает получение высоких качественных урожаев [1, 2].
Большое распространении польдерных земель в Российской Федерации расположилось в Калининградской области и в гумидной зоне (Вологодская, Новгородская, Томская области и др. регионы), при этом на многих польдерах осуществляется двойное регулирование с применением открытого или закрытого дренажа [2, 3]. Основными элементами данных систем являются дренажная сеть, сооружения для сброса воды, оградительные (защитные) дамбы, с подпочвенным увлажнением, но также применялся и способ дождевания с применением различной дождевальной техники [3, 4]. При этом основной задачей является защита от затопления, а увлажнение требуется в засушливые летние периоды [4–6]. Необходимость применения осушительно-увлажнительных польдерных систем доказана повторяющимися засушливыми периодами, при которых наблюдалось минимальное количество осадков с мая по сентябрь [3], при этом для увлажнения можно применять как накопленный дренажный сток, так и использование местного стока [6, 7].
Выбор способа регулирования водного режима польдера зависит от уровней воды в водоисточнике-водоприемнике по отношению к абсолютным отметкам поверхности земли в польдере, при этом польдеры могут быть низкого (поверхность ниже уровня воды), среднего (в паводковый период ниже уровня воды и подвержены затоплению, а в межень могут только подтапливаться) и высокого (уровни воды выше только в паводок) уровней. При этом низкие и средние польдерные системы можно отнести к осушительно-увлажнительным за счет применения водорегулирующих сооружений для управления уровнем грунтовых вод (поднятия) до необходимых отметок [3, 8, 9]. На мелиорируемых землях, которые располагаются на более высоких отметках, при наличии местного стока или водоисточника в водопроницаемых слоях почвы возможно применение систем подпочвенного увлажнения, а при отсутствии таких слоев или при превышении поверхности земли в польдере более чем на 1,5 м меженного уровня – системы дождевания, как и на участках где грунтовые воды в засушливые периоды опускаются ниже нормы осушения [3, 7, 8].
Для более рационального использования местного и дренажного стоков в составе польдерных систем двойного регулирования найдут свое применение регулирующие емкости, которые также позволяют повысит температуру орошаемой воды и применить рециклинг дренажной воды, вопросами которого занимаются и в зарубежных странах [10–15].
Проведенный анализ осушительных и польдерных систем показал, что большинство их находится в неудовлетворительном состоянии, в связи с чем необходимо проведение реконструкции с сопутствующими культуртехническими работами [16] и по возможности их модернизации в современные польдерные системы двойного регулирования с применением наиболее мобильной техники (насосные станции, поливные установки и т. п.) для небольших севооборотных участков с применение принципа модульности при компоновке основных элементов конструкции системы и защите от затопления и подтопления.
В связи с этим целью исследований определена разработка нового технического решения ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы для двойного регулирования водного режима почв, с применением шланга-барабанной поливной техники и использованием комплекса регулирующих емкостей.
Материалы и методы. Объектом исследований являлись польдерные системы двойного регулирования водного режима почв. При проведении исследований методологическую основу работы составил сбор и анализ общеизвестных конструктивных решений польдерных, осушительно-увлажнительных и других мелиоративных систем двойного регулирования водного режима почв предлагаемые различными учеными таких как М.И. Голубенко, В.П. Коваленко, П.И. Пыленок, Б.С. Маслов, В.Ф. Галковский, Ю.А. Мажайский, М.А. Волынов, Н.И. Голубев и др. Анализировался рынок и новейшие разработки передвижных насосных станций, а также шланго-барабанной поливной тех-
ники. В процессе рассмотрения и разработки технического решения предложенной системы применялся сравнительный, аналитический и логический методы, а также метод конструирования.
Результаты и обсуждение. Рассматривая влажные
районы РФ, возделываемые в них культуры, мы видим, что оросительные нормы в этих регионах намного (до пяти раз) меньше, чем в регионах нашей страны с засушливым климатом. В этих регионах использование шланго-барабанной дождевальной техники является очень целесообразным вариантом.
Поэтому разработано усовершенствованное конструктивное решение ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы для двойного регулирования водного режима почв с регулирующими емкостями для применения данного вида поливной техники.
Задумкой предложенного конструктивного решения ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы с регулирующими емкостями, применяемыми для подачи воды на орошение в засушливые вегетационные периоды, мелиорируемая территория которой защищена дамбами от затопления поверхностными паводковыми водами рек, является обеспечение максимального использования водных ресурсов за счет согласованного отвода и аккумулирования стока во влажные периоды паводка рек в регулирующих емкостях каждого модуля затапливаемого яруса польдера и увлажнения осушенных земель в засушливые периоды. Осушительно-увлажнительная сеть разработанной системы гидравлически увязана и позволяет использовать регулирующие емкости каждого модуля затапливаемого яруса польдера как для накопления стока, так и для подачи воды на увлажнение как затапливаемого яруса польдера, так и незатапливаемого яруса польдера, а также возможности сброса избыточного объема стока через отводящий канал в водоприемник-водоисточник. Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение защиты мелиорируемой территории от паводковых вод рек, осушения территории и увлажнения сельскохозяйственных культур в засушливый вегетационный период, а также повышение надежности работы системы и эффективности использования водных ресурсов.
Указанный технический результат достигается за счет устройства ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы, состоящей из затапливаемого и незатапливаемого яруса польдеров с регулирующими емкостями, обвалованными дамбами, расположенными на территории затапливаемого польдера, которая предполагает размещение севооборотных участков в виде модулей из двух ярусов, отличающихся тем, что отметка верха дамб, ограничивающих регулирующие емкости для аккумулирования воды, расположенных в затапливаемом польдере, равна отметке верха дамбы, ограничивающей незатапливаемый польдер, при этом уклон поверхности земли в затапливаемом польдере спланирован в сторону незатапливаемого польдера. Конструкция ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы также отличается тем, что наполнение регулирующих емкостей производится перекачивающей насосной станцией через дополнительный трубопровод.
Ярусно-модульная осушительно-увлажнительная польдерная система (рисунок) включает следующие элементы: дрены, дренажные коллекторы второго порядка, закрытые совмещенные дренажные коллекторы первого порядка, соединенные с магистральным коллектором-трубопроводом, регулирующих емкостей каждого модуля, огражденных незатопляемыми дамбами и оборудованными насосными станциями, водовыпусками в регулирующие емкости, их дополнительного трубопровода-коллектора, при этом совмещенные коллекторы первого порядка снабжены устьевыми сооружениями с обратными клапанами, дождевальные машины барабанного типа, подключенные через гидранты, перекачивающей насосной станцией, сбросного канала, отводящего воду в водоприемник-водоисточник, затапливаемую дамбу, незатапливаемую дамбу, нагорный канал, водослив-прорез и запорную арматуру. Система состоит из двух ярусов: затапливаемого и незатапливаемого польдеров, двух модулей по пять полей севооборота. Количество модулей может как
уменьшаться до одного, так и увеличиваться в зависимости от планируемой к использованию площади.
1 – дрены, 2 – дренажные коллекторы второго порядка, 3 – закрытые совмещенные дренажные коллекторы первого порядка,
4 – магистральный коллектор-трубопровод, 5 – регулирующие емкости, 6 – незатопляемые дамбы, 7 – насосные станции, 8 – водовыпуски в
регулирующие емкости, 9 – дополнительный трубопровод-коллектор, 10 – устьевые сооружения с обратными клапанами, 11 – дождевальные
машины барабанного типа, 12 –гидранты, 13 – перекачивающая насосная станция, 14 – сбросной канал, 15 – водоприемник-водоисточник,
16 – затапливаемая дамба, 17 – не затапливаемая дамба, 18 – нагорный канал, 19 – водослив-прорез, 20 – запорная арматура
Рисунок 1 – Ярусно-модульная осушительно-увлажнительная польдерная системы с регулирующими емкостями
Работа ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы заключается в следующем. В период весеннего паводка через водослив-прорезь производится заполнение затапливаемого польдера (нижний ярус), что сказывается на предотвращении перетекания воды через дамбу и способствует плавному затоплению польдера. На время паводка сообщение между ярусами в виде трубопровода, блокируется посредством запорной арматуры. Незатапливаемый польдер (верхний ярус) ограничен от паводковых вод незатапливаемой дамбой. По окончанию паводка дренажные воды любого из модулей через дрены и дренажные коллекторы второго и совмещенные дренажные коллекторы первого порядков через насосную станцию, трубопровод-коллектор, водовыпуски поступают в регулирующую емкость (накопитель) каждого модуля затапливаемого яруса польдера в объеме необходимом для увлажнения заданного севооборотного участка, зависящего от оросительных норм выращиваемых культур. Избытки дренажного стока после наполне-
ния регулирующих емкостей через насосную станцию и сбросной канал направляются в водоприемник-водоисточник. Ярусно-модульная осушительно-увлажнительная польдерная система защищена от грунтовых вод и поверхностного стока с вышележащих территорий нагорным каналом.
В засушливый период увлажнение полей любого из модулей осуществляется дождевальными машинами барабанного типа, работающими от напорной сети совмещенных дренажных коллекторов первого порядка через гидранты, вода в которые подается насосными станциями при закрытых обратных клапанах устьевых сооружений и открытой запорной арматуре из регулирующих емкостей, огражденных незатопляемой дамбой.
Количество дождевальных машин на поле зависит от его площади и сезонной нагрузки дождевальной машины.
Предложенная ярусно-модульная осушительно-увлажнительная польдерная система может применяться на мелиорируемых землях различных по площади, прилегающих к водному объекту, за счет увеличения или уменьшения количества модулей.
Выводы. Проведенный обобщающий анализ конструкций мелиоративных систем с применением орошения различными дождевальными машинами на польдерах показал отсутствие конструктивных решений модульных польдерных систем, имеющих регулирующие емкости, позволяющие накопить необходимый объем стока для последующего орошения и недопущения их опустошения при отходе паводка.
В целях увеличения коэффициента земельного использования, а также из-за небольших оросительных норм в гумидной зоне наиболее рациональным определено использование шланго-барабанной поливной техники.
В результате исследований предложена новая конструкция ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы (по которой подана заявка на изобретение и получено положительное решение экспертизы Роспатента), которая обеспечивает защиту териитории от паводковых вод и осушения территории в период избыточного увлажнения. Позволяет рационально использовать водные ресурсы (дренажный сток и сток паводков рек), накапливая их в регулирующих емкостях, и равномерно перераспределять по поверхности полей, расположенных на двух ярусах системы в необходимые сроки полива с применением насосных станций и совмещенного дренажного коллектора через гидранты за счет чего и повышается надежность и эффективность использования водных ресурсов.
Примененный модульный принцип разработанной новой системы позволяет формировать польдерные осушительно-увлажнительные системы на различных площадях хозяйств при соответствующем добавлении модулей, прилегающих к водному объекту.
Заключение. Разработанная ярусно-модульная осушительно-увлажнительная польдерная система, имеющая в своем составе затапливаемый и незатапливаемый ярус польдеров с регулирующими емкостями, обвалованными дамбами, и предполагающая размещение севооборотных участков в виде модулей из двух ярусов, причем отметка верха дамб, ограничивающих регули-
рующие емкости для аккумулирования воды, расположенных в затапливаемом польдере, равна отметке верха дамбы, защищающей незатапливаемый польдер от паводковых вод. Уклон поверхности земли в данной конструкции системы в затапливаемом польдере направлен в сторону незатапливаемого польдера. Наполнение регулирующих емкостей производится перекачивающей насосной станцией через дополнительный трубопровод в связи с тем, что отметка огораживающих дамб равна отметке незатапливаемой дамбы и не позволяет наполнить их самотеком, что и позволяет предусмотреть необходимый объем воды для последующего орошения земель.
1. Kovalev V.P. Calculation of parameters of linear polder systems // Melioration. 2005. № 2(54). P. 69-76.
2. Kashchenko N.M., Kovalev V.P., Vasiliev V.V. Calculation of parameters of polder systems for agricultural purposes // Bulletin of the Belarusian State Agricultural Academy. 2018. № 4. P. 128-132.
3. Puntusov V.G. Two-way regulation of the water regime on the polders of the Kaliningrad region // Water management problems of the egion. Kaliningrad, 2016. P. 85-91.
4. Kashchenko N.M., Vasiliev V.V., Kovalev V.P. Polder systems for agricultural purposes. Calculation of parameters of reconstructed systems // Bulletin of the White-Russian State Agricultural Academy of Gorki. 2019. № 4. P. 131-136.
5. Kozhanov A.L. Constructive schemes of energy-saving drainage systems of dual regulation of the water regime // Ways to increase the efficiency of irrigated agriculture. 2019. № 1(73). P. 27-34.
6. Kozhanov A.L. Review of drainage and humidification systems with maximum use of renewable natural resources // Scientific Journal of the Russian Research Institute of Problems of Land Reclamation [Electronic resource]. 2020. № 2(38). pp. 105-123. URL: http:www. osniipm-sm.ru/archive?n = 660&id = 667. DOI:https://doi.org/10.31774/2222-1816¬2020-2-105-123.
7. The use of local runoff for irrigation of agricultural lands: a scientific review / G.A. Senchukov, V.D. Gostischev, A.S. Kapustyan, Yu.F. Snipich, A.S. Shtanko, A.L. Kozhanov, V.A. Kulygin, D.V. Ermak, I.V. Klishin. Novocherkassk: FGNU «RosNIIPM», 2011. 172 p. Dep. in VINITI 23.05.2011, № 243-V2011.
8. Likhatsevich A.P., Rusetsky A.P. Operational scheme for managing the water regime of soil during the growing season on drainage
9. and humidifying polder systems // Vesci National Academy of Sciences of Belarus. gray agricultural navuk. 2007. № 2. P. 58-63.
10. Divakov O.V., Puntusov V.G. Features of the water regime of the polders of the Kaliningrad region // Innovations in science and education - 2011: Proceedings of the IX International Scientific Conference. P. 1. Kaliningrad, 2011. P. 145-147.
11. Possibilities of recycling implementation on drying and humidifying systems of the humid zone / V.P. Maksimenko, E.B. Strelbitskaya, A.P. Solomina, N.V. Airiyan // Nature management. 2016. № 2. P. 87-94.
12. Gubin V.K., Maksimenko V.P., Khrabrov M.Yu. Ways of improving irrigation and humidification systems // Melioration and water management. 2016. No. 1. P. 32-36.
13. Naidenov S.V., Domashenko Yu.E., Vasiliev S.M. Review of water circulation systems based on hydro-reclamation recycling // Scientific Journal of the Russian Research Institute of Problems of Land Reclamation [Electronic resource]. 2018. № 2(30). P. 95-111. URL: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec548-field6.pdf .
14. Characteristics of Drainage Water Quality and Loading from Paddy Field under Cyclic Irrigation and Its Management Option / N. Hatcho, K. Kurihara, Y. Matsuno, H. Horino // Journal of Water Resource and Protection. 2018. Vol. 10. № 1. P. 73-84. DOI: 10.4236/ jwarp.2018.101005.
15. Deep Soil Water Storage and Drainage Following Conversion of Deep Rooted to Shallow Rooted Vegetation / H. Li, B.C. Si, Z. Zhang, C. Miao // Agricultural Water Management 261. 2022. DOIhttps://doi.org/10.1016/j. agwat.2021.107359. www.scopus.com. 2022.
16. Effects of Controlled Drainage on the Content Change and Migration of Moisture, Nutrients, and Salts in Soil and the Yield of Oilseed Sunflower in the Hetao Irrigation District / X. Dou, H. Shi, R. Li, Q. Miao, F. Tian, D. Yu, L. Zhou, B. Wang // Sustainability (Switzerland) 13 (17). 2021. DOIhttps://doi.org/10.3390/su13179835. www.scopus.com.
17. Cultural works on reclaimed lands: scientific review / O.V. Voevodin, A.L. Kozhanov, V.V. Slabunov, S.L. Zhuk. Novocherkassk: FSBI «RosNIIPM», 2012. 24 p. Dep. in VINITI 04.07.12 № 291-V2012.
