Россия
УДК 35.073.515.11 Амелиорация
УДК 626.87 Мелиорация неудобных земель
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Статья содержит обзор описаний к патентам на изобретения в области разработки гидротехнических сооружений позволяющих задержать диффузный сток с мелиорированных полей, накопить и использовать его на орошение. Они могут также обеспечить его очистку перед выпуском в водоисточники для защиты их от загрязнения. Запатентованные технические решения направлены на создание мелиоративных систем учитывающих особенности ландшафта, климатических зон и требования сельскохозяйственных культур к водно-воздушному режиму корнеобитаемого слоя почвы. В статье представлены концепт-объекты отражающие основные направления в области задержания диффузного стока с мелиорированных полей. В том числе рассмотрены устройства для сбора и отведения паводкового стока, сооружения для накопления и сохранения дренажного стока, водооборотные системы, сооружения для очистки дренажного стока.
диффузный сток, поглотительные колодцы, дренажный сток, пруды-накопители, коллекторы–накопители, точное орошение, очистка дренажного стока, водооборотные системы
Введение: Первого сентября 2024г. вступил в действие Водный кодекс РФ в редакции от 08.08.2024г. В статье 1. п. 19 приведён перечень вод, относящихся к сточным, включающий: дождевые, полые, инфильтрационные, поливомоечные, дренажные, отведение которых в водные объекты допускается после их очистки до нормативного уровня [1]. В этот перечень не включён диффузный сток с поверхности сельскохозяйственных полей. Между тем, установлено, что до 70% химических веществ, загрязняющих воду рек, озёр и прудов, приходится на удобрения и химикаты, выносимые с поверхностным стоком с полей [2]. Процесс образования диффузного стока можно разделить на несколько этапов. При выпадении ливневых осадков вода впитывается почвой и происходит быстрое насыщение влагой её верхнего слоя. Крупные капли дождя, падая на поверхность почвы, разрушают комочки, образующие её водопрочную структуру. После насыщения верхнего слоя почвы влагой начинается формирование поверхностного стока, который растворяет подвижные соли, содержащиеся в почве, и увлекает мелкие илистые частицы почвы. В составе воды диффузного стока преобладают соединения азота. Соли фосфора, калия, кальция, магния и тяжёлых металлов фиксируются на поверхности илистой фракции стока. Интенсивность смыва мелкозёма с поверхности земли зависит от крутизны поверхности участка. При склонах 1-30 ежегодно смывается порядка 3т/га, а при увеличении крутизны до 8-160 выносится до 15т/га наиболее плодородной части почвы [3]. Наблюдения показали, что за вегетационный период с дренажным стоком в объеме 1800 м3/га, выносится 320 кг/га элементов минерального питания растений: 220 кг кальция, 41 кг азота, 30 кг магния, 22 кг натрия и 7 кг калия [4].
Основная часть: Согласно ст.61 Водного кодекса РФ мелиоративные мероприятия должны проводиться одновременно с осуществлением мероприятий по охране окружающей среды, водных объектов и их водосборной площади В том числе решать задачи предотвращения и диффузного стока, а в случае невозможности предотвращения, осуществления очистки его, до нормативного уровня от взвешенных в воде илистых частиц и водорастворимых солей Данная статья посвящена изучению новых технических решений запатентованных в Российской Федерации. Эти изобретения позволяют задержать диффузный сток с мелиорированных полей, накопить и использовать его на орошение. Они могут обеспечить очистку стока перед выпуском в водоисточники.
Методология исследований включала изучение описаний к патентам в области разработки гидротехнических устройств для предотвращения диффузного стока с мелиорированных земель, его накопления и последующего использования на орошение. Рассматриваются так же сооружения для очистки стока в случае выпуска в водоисточники.
Результаты исследований: Мелиоративные сооружения, обеспечивающие возможность предотвращения поступления неочищенного диффузного стока в водоисточники, различаются по назначению и способу реализации. Выбор конструкции сооружения определяется климатическими условиями мелиорируемой территории. В зоне избыточного увлажнения, где количество осадков превышает испаряемость, строят дренажные системы для сбора и отведения стока. Большая часть изобретений в этой области связана с очисткой собираемого стока перед выпуском его в водоисточники. Так, для отведения поверхностных вод из блюдцеобразных понижений разработаны водопоглощающие колодцы из сборного или монолитного железобетона. Конструкции таких колодцев описаны в патентах №2579259, № 2714837. В патенте №2579259 представлена наиболее простая конструкция колодца-поглотителя. Эта конструкция включает корпус с крышкой и водоприемными отверстиями защищенный от плавающего мусора. В нижней части корпуса сделан отстойник для задержания песка, снабжённый промывным патрубком с краном [5]. Патент №2714837 содержит описание колодца-поглотителя, для очистки стока от более мелкой илистой фракции. Эта очистка происходит в камере – отстойнике с отведением осветлённой воды из её верхней части[6]. В патенте № 2816530 описан способ очистки стока фильтрацией через гравийно-песчаную засыпку. От пониженного бессточного участка прокладывают траншею, в которую укладывают перфорированную дренажную трубу с тонкостенным фильтром. Часть траншеи в понижении засыпают фильтрующим материалом в два слоя. Остальную часть траншеи до высоты 0,5 м от поверхности почвы засыпают гравием или крупным песком по всей длине траншеи. Верхняя часть траншеи от глубины 0,5 м до поверхности земли засыпается прерывисто песком и отрытой почвой [7]. Патент № 2812424 выдан на способ позволяющий удалить из дренажного стока химические элементы растворённые в воде. Дренажная сеть имеет дренажные колодцы, расположенные на трассе закрытых коллекторов. В колодцах производится периодический отбор проб дренажного стока для определения содержание химических загрязнителей. По результатам анализа и учета составляют наборы съемных картриджей с сорбентом из ионитовых смол и противофильтрационным материалом. На выходящих сопрягающих трубах дренажных колодцев монтируют устройства для установки этих картриджей. На устьях закрытых коллекторов монтируют узлы учета расхода дренажного стока [8.] Отведение стока с поверхности мелиорируемых участков обеспечивает мелиоративная система, защищённая, патентом №2725486. Этот патент выдан на «Способ строительства осушительной системы» [9]. Согласно этому способу на участке, где проектируется строительство закрытой дренажной осушительной сети, предварительно нарезают временную осушительную сеть в виде борозд. Эти борозды выведены в канал-собиратель, подключённый к закрытому коллектору через камеру очистки. При использовании борозд для строительства временной осушительной сети предотвращение заиления камеры очистки обеспечивает способ экранирования борозд перфорированной плёнкой [10]. Дифференцированное предотвращение стока вод с поверхности полей обеспечивает «Способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия» (патент РФ №255673) [11]. Для применения этого технического решения поля делят на участки, отличающиеся по экспозиции, плодородию, водному и тепловому режимам. По границам выделенных участков прокладывают сеть для перехвата поверхностного стока. Глубину закладки закрытого дренажа дифференцируют с учётом особенностей каждого участка. При наличии подстилающего водоупорного слоя, избыток воды предлагают отводить для пополнения запаса грунтовых вод. Для этой цели служит изобретение, защищённое патентом РФ №2655959 выданным на «Устройство для отведения поверхностных вод» [12]. Согласно этому изобретению для отведения поверхностных вод через слой водонепроницаемого грунта бурят вертикальные скважины до водоносного слоя. Особенностью конструкции скважин является выполнение их в виде блока из четырёх скважин соединенных с соседними скважинами горизонтальными дренами. Каждая скважина снабжена оголовком из фильтрующего материала, что предотвращает опасность загрязнение грунтовых вод.
Для очистки дренажного стока на каналах-коллекторах найдёт применение изобретение «Система сооружений для очистки дренажного стока». Эта система включает сороудерживающую сетку, кассетоудерживающее сооружение, заполненное кассетами с сорбентом и подпорную стенку, для равномерное использование сорбирующего материала, патент № 2728365 [13].
Наиболее полно требованиям защиты от загрязнения водоисточников и окружающей среды стоком с сельскохозяйственных земель отвечают водооборотные мелиоративные системы. Эти системы обеспечивают сбор и накопление дренажного стока для использованием накопленной воды на орошение. В первой половине прошлого века получили распространение осушительно-оросительные системы. В этих системах поверхностный дренажный сток собирается сетью дренажных каналов или сетью подземных дрен, выведенных в каналы коллекторы. Для повышения их эффективности предложено использовать усовершенствованные перегораживающие сооружения. В патенте № 2233075 описана осушительно-увлажнительная система, включающая магистральный канал-накопитель дренажных вод с автоматизированными регуляторами уровня воды и отводные каналы с закрытыми дренами-собирателями дренажных вод для орошения участков, расположенных ниже по склону [14]. В аналогичной мелиоративной системе защищённой патентом № 2076918, дренажную воду накапливают в открытом канале-коллекторе. В устье такого канала размещают дренажный колодец с сифонным водовыпуском для автоматического регулирования уровня воды в канале коллекторе [15]. Использование каналов-коллекторов для накопления дренажного стока возможно только в меженный период. В половодье эта сеть служит для отведения избытка воды.
Для климатических зон с неустойчивым и недостаточным увлажнением интерес представляют мелиоративные системы включающие размещение в наиболее низких точках мелиорируемого участка прудов-накопителей дренажного стока. В эти пруды весной отводят поверхностный и дренажный сток. Летом накопленную воду забирают насосами и подают в поливные борозды или к дождевальным установка (Ав. Св. СССР №1631121) [16]. Недостатком таких прудов-накопителей дренажного стока является их большой объём. Это связанно с необходимостью поддержания двухметрового мёртвого уровня заполнения препятствующего зарастанию пруда, а также учёта фильтрационных потерь воды и испарения с поверхности пруда. Эти потери снижаются при использовании осушительно-увлажнительной системы, защищённой патентом на изобретение №2663596 [17]. Согласно этому изобретению, пруд-накопитель дренажного стока снабжён защитным экраном из светонепроницаемого материала, закреплённым на тросах с поплавками и поддерживаемым с помощью лебёдок. Экран предотвращает испарение с поверхности пруда и ухудшает условия роста водных растений. Патент №2758268 выдан на пруд-накопитель дренажного стока, в котором защитный экран выполнен из двух частей соединенных контейнером, состоящим из жесткой рамы с емкостью из сетки с ячейками 1,0-1,5 мм. На раме контейнера размещена щетка с тросиками, концы которых выведены на берега пруда, где установлены наклонные желоба. С помощью тросиков щётку перемещают по дну контейнера к наклонным желобам, извлекая по ним мусор смытый с поверхности экрана. [18]. В связи со строительством мелиоративных систем с закрытыми пластмассовыми дренами началась активная разработка труб коллекторов-накопителей дренажного стока. Наиболее интересным техническим решением представляется закрытая осушительно-увлажнительная система с подземным коллектором-собирателем. Эта система оборудована дренажными колодцами, к которым подключены горизонтальные трубы-накопители, выполненные из труб большого диаметра. Такая конструкция сети позволяет увеличить объем накапливаемого дренажного стока [19]. Производственные испытания показали, что дренажные колодцы с радиальными трубчатыми накопителями, выполненными из труб большого диаметра, позволили сохранить для орошения порядка 300м3/га воды [20]. Такие запасы позволяют провести 2-3 полива с забором воды из колодцев-накопителей машинами типа ДДН-70. Как показали исследования, при орошении с использованием способа мелкодисперсного дождевания этого количества воды достаточно для защиты посевов в период засухи продолжительностью более месяца [21]. Для проведения мелкодисперсного дождевания с забором воды из колодцев-накопителей дренажного стока предложена осушительно-увлажнительная система аэрозольного дождевания [22]. На трубе-коллекторе этой системы смонтированы колодцы накопители из которых воду на орошение забирают мобильными установками мелкодисперсного дождевания. Эти установки выполнены на базе передвижных платформ, на которых установлено насосно-силовое оборудование, компрессор и аэрозольный генератор с распылителями воды. При проведении полива платформу устанавливают у дренажного колодца. Воду забирают насосом и подают в генератор аэрозоля куда нагнетают компрессором воздух, образуя аэрозоль. Распределение аэрозоля над поверхностью поля позволяет обеспечить её увлажнение с интенсивность дождя не разрушающей структуру почвы.
При строительстве мелиоративных систем с радиальными трубчатыми накопителями необходимо дополнительно отрывать на полях значительное количество траншей с извлечением на поверхность поля малоплодородного грунта. После засыпки им траншей для восстановления плодородия требуется внесение повышенных норм удобрений. В водооборотной осушительно-увлажнительной системе (патент РФ №2655799) накопители выполняют в виде нескольких рядов вертикальных колодцев, расположенных на склоне выше мелиорируемого участка. Это позволяет располагать их за пределами мелиорируемой площади, а также перехватывать дренажный сток с верхней части площади водосбора. [23]. Новый подход к устройству гидромелиоративной системы в агроландшафте представлен в патенте РФ № 2761875, выданным на «Способ осуществления мелиоративных мероприятий в зоне достаточного увлажнения». При реализации этого способа мелиоративную систему формируют с учетом особенности ландшафта, экспозиции полей. Регулирование паводкового стока начинают уже при формировании снежного покрова с последующим управлением процессом таяния снега и отведения талой воды в каналы-накопители для орошения в летний период. То есть мелиоративную систему встраивают в агроландшафт регулируя сток и создавая запас воды для орошения. [24].
Обсуждение: Рассмотренные описания к патентам на изобретения, выданным в Российской Федерации, являются, концепт-объектами отражающими основные направления в разработке технических решений в области мелиорации. Их применение позволит обеспечить при строительстве и реконструкции мелиоративных систем и сооружений соблюдение требований Водного Кодекса РФ по защите водоисточников от загрязнения. Наиболее перспективными являются мелиоративные системы и сооружения, обеспечивающие накопление и использование диффузного стока в пределах полей. Для очистки воды перед выпуском в водоисточники предложено использовать фильтры с композицией различных ионообменных смол, позволяющие выборочно удалять наиболее опасные загрязнители. В долгосрочной перспективе представляют интерес изобретения связанные с решением задачи разработки мелиоративных систем, встраиваемых в агроландшафт и обеспечивающих использование диффузного и дренажного стока в сочетании с точной подачей накопленной воды к корням растений.
1. Водный кодекс Российской Федерации" от 03.06.2006 N 74-ФЗ (ред. от 08.08.2024) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.09.2024), 3 июня 2006 года N 74-ФЗ [Электронный ресурс] URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=477133&ysclid=m133wci0qq550605965.
2. Слабунова А.В., Суровкина А.П. О проблеме диффузного загрязнения водных объектов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2020. №2 (38). С 2.
3. Летучий А.В. Ландшафтное земледелие // ФГБНУ ВО Саратовский ГАУ. 2016. С 3, 14.
4. Рабочев И.С., Муромцев Н.С. Вынос питательных веществ дренажны-ми водами // Гидротехника и мелиорация. 1980. № 9. С. 78 – 80.
5. Патент РФ №2579259 С1, МПК Е028 11/00. Дренажный колодец-поглотитель для приема и отвода поверхностных вод. /А.А. Ксензов. – заявлено 02.02.2015; опубликовано 04.10.2016г. ,бюлл.№ 10
6. Патент РФ №2714837 С1, МПК Е02В 11/00. Дренажный колодец - поглотитель для приёма и отвода поверхностных дренажных вод. / М.И. Голубенко. – заявлено, опубликовано 19.02.2020г. бюлл. № 5.
7. Патент РФ №2 816 530 С1, МПК Е02В 11/00. Способ осушения затопленных замкнутых понижений/ Р.С. Масный, Г.Т. Балакай, А.Н. Бабичев, В.А. Монастырский, В.И. Ольгаренко. – заявлено 03.04.2023; опубликовано 01.04.2024.
8. Патент РФ №2812424 С1, МПК Е02В 11/00. . Способ контроля и устройство для локальной очистки дренажного стока. /Т.И. Дрововозова, А.А. Кириленко. – заявлено 10.02.2023,опубликовано 30.01.2024г. бюлл. № 4
9. Патент РФ №2725486 С1, МПК Е02В 11/00. Способ строительства осушительной системы. / В.В. Пчелкин, Ю.Н. Никольский, И.В. Корнеев. – заявлено 20.06.2019; опубликовано 02.07.2020г. бюлл. № 19 .
10. Безбородов, Ю. Г. Орошение сельскохозяйственных культур в аридной зоне / Ю. Г. Безбородов, А. Г. Безбородов. – Москва : Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2013. – 545 с.
11. Патент РФ №2556732, МПК Е02В 11/00. Способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия. / А.А. Ксензов. – заявлено 06.06.2014; опубликовано 20.10. 2015г. бюлл. № 29.
12. Патент РФ №2655959 С1, МПК Е02В 11/00. Способ нагнетания по-верхностной воды в землю. Немчик Эндрю. – заявлено 27.06.2014; опубликовано 30.05.2018. бюлл. №16.
13. Патент РФ № 2728365, МПК . Система сооружений для очистки дренажного стока/. В.К. Губин, Е.Э. Головинов, А.П. Соломина, Е.Б. Стрельбицкая, Л.В. Кудрявцева. – заявлено 26.12.2019; опубликовано 29.07.2020. бюлл. № 22.
14. Патент РФ №2233075, МПК А01 G 25/00. Осушительно-увлажнительная мелиоративная система /П.И. Пыленок, В.В. Бородычёв, А.М. Салдаев. – заявлено 12.02.2003, опубликовано 27.07.2004г. бюлл.№21.
15. Патент РФ №2076918, МПК Е02В 11/00. Осушительная система /В.И. Ольгаренко, Г.В. Ольгаренко. – заявлено 17.06.1994 опубликовано 20.04.2002г.
16. Ав. Св. СССР №1631121 А1, МПК ЕО2В 11/00. Осушительно-увлажнительная система. /Б.С.Маслов, Е.И.Опарин. – заявлено 12.09.1988; опубликовано 28.02.1991г. бюлл. №8.
17. Патент РФ №2663596.С2, МПК Е02В 11/00. Осушительно-увлажнительная система. / А.А. Поддубский, А.В. Шуравилин, П.А. Докукин, Р.Р. Гурина, К.Е. Калайджян. – заявлено 20.12.2016; опубликовано 07.08.2018. бюлл.№22.
18. Патент РФ № 2758268 С1. МПК Е02В 11/00. Пруд-накопитель дре-нажного стока. /В.К. Губин, Л.В. Кудрявцева. – заявлено 25.02.2021; опубликовано 27.10.2021г. бюлл.№ 30.
19. А. С. СССР № 896171, МПК Е02В 11/00. Осушительно-увлажнительная система / И.В. Минаев. – заявлено 10.04.1979; опубликовано 07.01.1982г. бюлл № 1.
20. И.В. Минаев. А.М. Войтович, Водооборотные системы в мелиорации //Гидротехника и мелиорация. 1986. № 6. С. 36–42.
21. В.В. Бородычев, М.Ю. Храбров. Мелкодисперсное дождевание картофеля //Гидротехника и мелиорация. 1976. №6. С.75-77.
22. Патент РФ №2628341, МПК Е02В 11/00. Осушительно-увлажнительная система. / В. К. Губин, М. Ю. Храбров, В. П. Максименко, Л. В. Кудрявцева, А. П. Соломина, Е. Б. Стрельбицкая, И. Н. Дорофеева. - заявлено 21.04.2016; опубликовано 16.08.2017. бюлл.№ 23.
23. Патент РФ №2655799 С1, МПК Е02В 11/00. Водооборотная осуши-тельно-увлажнительная система. /В.К. Губин. – заявлено 31.08.2017; опубликовано 29.05.2018г. Бюлл. № 16
24. Патент РФ № 2761875 С1, МПК Е02В 11/00. Способ регулируемой гидромелиорации почвы в агроландшафте в условиях гумидного климата при интенсивном земледелии. /Л.П. Воронина, А.А. Ермаков, Е.В. Морачевская, К.В. Павлов – заявлено 06.12.2020; опубликовано 13.12.2021г. бюлл.№35.
