Russian Federation
employee
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 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The constructed drainage reclamation systems by the method of closed drainage have shown their effectiveness, since they create the most favorable water-air regime of the soil, which promotes plant growth, especially during their growing season. Drained reclaimed agricultural lands by the method of closed drains reduce the shallow contour, which increases the productivity of machinery and the coefficient of land use of the reclamation object, and this significantly affects the cost of crops grown in the reclaimed field. In the Non-Chernozem zone of the Russian Federation there are about 13 million hectares of waterlogged agricultural land, only about a third of these areas were drained by the end of the 90s of the last century. All subsequent decades of new reclamation construction of closed drainage systems in the Non-Chernozem zone were carried out. The constructed closed tubular drainage requires routine maintenance work. Untimely cleaning of open and closed drains leads to a violation of the removal of moisture from the reclaimed field, an increase in the groundwater level, a violation of the water-air regime of the soil.
aerial photography, satellite image, unmanned aerial vehicle, remote sensing of the Earth, land reclamation, closed tubular drainage, indicative signs, hydrodynamic flushing
Введение.
Агрофизический научно-исследовательский институт на протяжении последних 10 лет проводит научные исследования по определению причин переувлажнения осушенных сельскохозяйственных угодий на опытно-производственных участках (ОПУ) мелиорации [1,2]. При этом ремонтно-эксплуатационные мероприятия, за объектами исследований, землепользователями мелиорированных осушенных участков не проводились. Объекты построены способом осушения полей закрытым трубчатым дренажом на территории Ленинградской и Новгородской областях. Основным признаком, определяющим необходимость проведения ремонта мелиорированного поля, является его переувлажнение или вторичное заболачивание [6,7]. Критерием такого состояния могут служить нарушенные сроки проведения полевых работ по причине слабой проходимости сельскохозяйственной техники по полям, изменение глубины залегания грунтовых вод и нарушения сроков их отвода из пахотного горизонта в соответствии с проектом, большая площадь вымочек и др. Причиной, примерно в 80% случаев, нарушений проектной работы осушительного трубчатого дренажа, на исследуемых участках, были разрушения устьевых сооружений коллекторов и одиночных дрен, что приводило к закупорке грунтом их трубчатой полости [3]. Также разрушение узлов соединения коллектора с колодцем по причине его вымораживания из грунта, а отсутствие крышек люков на колодцах приводит к засорению колодцев растительностью и отходами жизнедеятельности человека. Известны неоднократные случаи выхода из строя трубчатых коллекторов по причине попадания через поврежденный колодец в коллектор пластмассовой бутылки, приводящий к закупорке полости коллектора и выхода из строя осушенного трубчатым дренажом мелиорированного поля площадью несколько десятков га.
Найти причину переувлажнения и место повреждения осушительной мелиоративной системы задача не простая. Требуется специальная инженерная подготовка и практический опыт поиска причин и способов их устранения [4,5]. В Агрофизическом институте было предложено направление исследовательских работ по поиску причин переувлажнения закрытого трубчатого дренажа дистанционными методами с помощью космических снимков и аэрофотосъемки беспилотными воздушными судами (БВС) с мультиспектральной камерой, а также способов восстановления его работоспособности.
Материалы и методы.
Работы по мониторингу и оценке состояния осушительных мелиоративных систем проводились авторами на опытных полях Меньковского филиала Агрофизического научно-исследовательского института (Ленинградская область, Гатчинский район, д. Меньково). Общая площадь хозяйства составляет 538 га., координаты центра хозяйства 59°25' с. ш. 30°01' в. д.
Для проведения аэрофотосъемки мелиоративных объектов использовалось беспилотное воздушное судно (БВС) Геоскан-401 Агро (Рис. 1) c установленной на борту мультиспектральной цифровой камерами Micasense Rededge-MX. На борту БВС установлен геодезический Topcon B-111, а в качестве базовой станции используется GNSS-приемник Emlid Reach RS2.
После аэрофотосъемки, все полученные снимки обрабатывались в программном обеспечении Agisoft Metashape, что позволяло получить высокоточный ортофотоплан и цифровую модель местности (Рисунок 2).
Для работы с геоинформационными данными использовалось программное обеспечение с открытым кодом QGIS.
Для восстановления работоспособности закрытой осушительной сети использовались рабочие органы, разработанные и изготовленные в Агрофизическом НИИ для гидродинамической промывки дрен и коллекторов, которые приводились в действие насосно-силовым оборудованием, смонтированным на транспортном средстве.
Результаты и их обсуждение.
Применение БВС для мониторинга осушительной сети позволяет производить картирование подземных элементов закрытого трубчатого дренажа с высокоточной привязкой к местности. По характерным индикационным признакам на ортофотоплане выявляются полосы, характеризующие дрены и закрытые коллекторы. Индикационными признаками является отличие растительности над дренами(коллекторами) от основного покрова, на рисунке 2 на цифровой модели местности наблюдается увеличение биомассы растений над дренами. В местах пересечения коллектора с открытой сетью отмечается точка устья (Рисунок 3).
Рисунок 3 Нанесенная по данным аэрофотосъемки осушительная сеть и отмеченные звездочкой устья дрен
В результате наземного обследования осушительной мелиоративной сети, согласно методическим рекомендациям разработанными специалистами Агрофизического института, был определен её значительный нормативный ее износ, но основные элементы работоспособны, и при своевременном выполнении работ по очистке и частичному восстановлению коллекторов можно продлить срок эффективной работы дренажа. В большинстве случаев устьевые части дрен и коллекторов нарушены в результате заиления и зарастания каналов, некачественного соединения устьевой трубы с коллектором, разрушения коллекторных трубок от промерзания на откосе канала, заиления и зарастания устьевой части коллекторов корнями растений. При зарастании устьев, их поиск весьма затруднителен, но установленный на борту БВС GNSS-приемник позволяет в конечном итоге получить ортофотоплан с сантиметровой точностью, т.е. точка отмеченная на плане может быть вынесена в натуру с точность ±5 см., что позволяет достаточно точно определить на местности расположение устья и провести его обследование.
Оценить степень заиления по данным дистанционного зондирования не представляется возможным, поэтому для решения этой задачи использовалась телеинспекционная камера jProbe LXP 230-4000, которая позволяет с помощью видео-зонда оценить состояние коллектора/дрены на протяжении 40 метров. Пример получаемых изображений приведен на рисунке 4.
Наиболее распространенный вид неисправности закрытой дренажной сети - заиление устьевой части коллекторов. Отложения образуются вследствие заиления и зарастания каналов, закупорке устьев грунтом, растительными остатками, а также при высоком уровне поднятия воды в каналах. В связи с закупоркой устьевой части и снижением расхода дренажного стока заиление распространяется по всей длине коллектора, при этом наибольший объем отложений располагается на расстоянии 10-20 м от устья. Несоблюдение сроков своевременной очистки и восстановления повреждений устьевой части, приводит к последующему выводу из строя всей дренажной системы.
Для гидродинамической промывки устьевой части дренажной сети в Агрофизическом НИИ был создан универсальный мобильный комплекс, состоящий в основном из стандартных покупных изделий, смонтированный на легковой автомобильный двухосный прицеп (Рисунок 5). Краткие технические характеристики комплекса приведены в таблице 1.
Таблица 1 Краткие технические характеристики мобильной гидродинамической установки
|
Тип оборудования |
прицеп к автомобилю (трактору) |
МЗСА 817737 |
|
Ёмкость для воды |
Пластиковый куб в обрешетке |
1 м3 |
|
Нагнетательный насос |
мембранный Bertolini PA/S 830 VC |
40 бар, 76 л/мин |
|
Заборный насос |
центробежный Honda WB 20 XT |
3,2 бар, 250 л/мин |
|
Промывочный напорный рукав |
армированный |
DN 12, 45 бар, 50 п. м |
|
Заборный рукав |
|
DN 50, 4 п. м, 2 шт. |
|
Лебёдка ручная |
грузоподъемность |
4000 кг |
|
Форсунки к промывочному рукаву |
реактивная, фрезерная |
По 1 единице |
|
Технический эндоскоп |
для оценки состояния внутренней полости коллектора |
40 п. м. |
|
Механическое устройство |
для разрушения грунтовых пробок в дрене |
6 м.п. |
|
Обслуживающий персонал |
водитель, русловый ремонтер |
2 чел. |
В качестве рабочих органов использовались реактивная и фрезерная форсунки, разработанные и изготовленные специалистами Агрофизического института. Опытным путем были получены расходы нормы расходы воды с зависимости от диаметра промываемого коллектора и степени заиления. Замеры проводились при промывке устья на длину 20 метров.
Таблица 2 Расход воды для промывки 20 метров дрены/коллектора
|
Диаметр дрены/коллектора, мм |
Степень заиления, % |
||
|
<30 |
30-50 |
>50 |
|
|
50 |
0,1-0,2 |
0,2-0,4 |
0,4-0,6 |
|
75 |
0,1-0,3 |
0,3-0,5 |
0,5-0,7 |
|
100 |
0,3-0,5 |
0,5-0,8 |
0,8-2,0 |
Выводы.
Процессы деградации сельскохозяйственных земель представляют собой серьезную продукционную и экологическую проблему общества как результат нерационального природопользования. Одним из ключевых факторов этих процессов является неэффективное использование существующих дренажных систем. Применение аэрофотосъемки к оценке состояния дренажных систем сельскохозяйственных полей представляется перспективным и недорогим подходом, позволяющим быстро и эффективно локализовать причину деградации осушительной системы.
Для восстановления работоспособности закрытого трубчатого дренажа возможно использование мобильной гидродинамической установки, которая позволяет с небольшими затратами воды промывать устья коллекторов.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке Санкт-Петербургского научного фонда в соответствии с соглашением от 2 апреля 2022 г. № 02/2022 и со финансированием Российского научного фонда, грант № 22-26-20082.
1. Development of the meliorative complex: construction, modernization and technical re-equipment: reference ed. M.: FSBI "Rosinformagrotech", 2021. 88 p.
2. Gulyuk G.G., Yanko Yu.G., Shtykov V.I., Chernyak M.B., Petrushin A.F. Guidance on field reclamation. St. Petersburg: FGBNU AFI, 2020. 217 p.
3. Kanziber Yu.A., Zolotov M.E. Efficiency of reconstruction of drainage systems in the Leningrad region // Reconstruction of reclamation systems: collection of scientific tr. / L.: SevNIIGiM, 1990. pp. 54-62.
4. Meyer G. Ya. and Krivonosov I. M. The use of aerometodes for mapping closed drainage systems // Proceedings of the laboratory of aerometodes. Volume V. / M.-L.: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1956. pp. 83-106.
5. Meyer G.Ya. Decoding from aerial photographs of closed drainage systems // Aerometodes of the study of natural resources: Collection of scientific tr. / M.: Geografgiz, 1962. pp. 282-286.
6. Methodological guidelines for assessment the reclamation state and the implementation of agro-reclamation measures on the drained lands of the Leningrad region. L.: SevNIIGiM, 1987. 31 p.
7. SP 100.13330 "SNIP 2.06.03.-85 Reclamation systems and structures", approved by Order No. 953/Pr of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation dated December 16, 2016.
