Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
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 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Целью исследований являлась 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. Методологическую основу работ составил сбор и анализ общеизвестных конструктивных решений польдерных, осушительно-увлажнительных и других мелиоративных систем двойного регулирования 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. В процессе разработки технического решения предложенной системы применялся сравнительный, аналитический и логический методы, а также метод конструирования. Рассматривая влажные районы РФ, возделываемые в них культуры установлены относительно небольшие оросительные нормы, что обуславливает использование шланго-барабанной дождевальной техники применительно к польдерным системам двойного регулирования с повторным использованием стока. Основной идеей конструктивного решения ярусно-модульной осушительно-увлажнительной польдерной системы с регулирующими емкостями является защита территории от паводковых вод и осушения территории в период избыточного увлажнения, и обеспечение максимального использования водных ресурсов за счет согласованного отвода и аккумулирования стока в регулирующих емкостях каждого модуля затапливаемого яруса польдера и увлажнения осушенных земель, расположенных на двух ярусах системы в необходимые сроки полива с применением насосных станций и совмещенного дренажного коллектора через гидранты при использовании шланго-барабанной поливной техники. Примененный модульный принцип разработанной новой системы позволяет формировать польдерные осушительно-увлажнительные системы на различных площадях хозяйств при соответствующем добавлении модулей, прилегающих к водному объекту.
польдер, польдерная система, осушительно-увлажнительная система, модуль, двойное регулирование, конструктивное решение, водный режим, водные ресурсы, регулирующая емкость
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. Ковалев В.П. Расчет параметров линейных польдерных си¬стем // Мелиорация. 2005. № 2(54). С. 69-76.
2. Кащенко Н.М., Ковалев В.П., Васильев В.В. Расчет параме¬тров польдерных систем сельскохозяйственного назначения // Вест¬ник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 4. С. 128-132.
3. Пунтусов В.Г. Двухстороннее регулирование водного режима на польдерах Калининградской области // Водохозяйственные про¬блемы региона. Калининград, 2016. С. 85-91.
4. Кащенко Н.М., Васильев В.В., Ковалев В.П. Польдерные си¬стемы сельскохозяйственного назначения. Расчет параметров рекон¬струируемых систем // Вестник Белорусской государственной сель¬скохозяйственной академии. 2019. № 4. С. 131-136.
5. Кожанов А.Л. Конструктивные схемы энергосберегающих осушительных систем двойного регулирования водного режима // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019. № 1(73). С. 27-34.
6. Кожанов А.Л. Обзор осушительно-увлажнительных систем с максимальным использованием возобновляемых природных ре¬сурсов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2020. № 2(38). С. 105-123. URL: http:www. rosniipm-sm.ru/archive?n = 660&id = 667. doi:https://doi.org/10.31774/2222-1816¬2020-2-105-123.
7. Использование местного стока для орошения земель сель¬скохозяйственного назначения: научный обзор / Г.А. Сенчуков, В.Д. Гостищев, А.С. Капустян, Ю.Ф. Снипич, А.С. Штанько, А.Л. Кожанов, В.А. Кулыгин, Д.В. Ермак, И.В. Клишин. Но-вочеркасск: ФГНУ «РосНИИПМ», 2011. 172 с. Деп. в ВИНИТИ 23.05.2011, № 243-В2011.
8. Лихацевич А.П., Русецкий А.П. Оперативная схема управле¬ния водным режимом почвы в вегетационный период на осушитель¬но-увлажнительных польдерных системах // Вссца нацыянальнай акадэми навук беларуси серыя аграрных навук. 2007. № 2. С. 58-63.
9. Диваков О.В., Пунтусов В.Г. Особенности водного режима польдеров Калининградской области // Инновации в науке и обра¬зовании 2011: труды IX Международной научной конференции. Ч. 1. Калининград, 2011. С. 145-147.
10. Возможности реализации рециклинга на осушитель¬но-увлажнительных системах гумидной зоны / В.П. Максименко, Е.Б. Стрельбицкая, А.П. Соломина, Н.В. Айриян // Природообустройство. 2016. № 2. С. 87-94.
11. Губин В.К., Максименко В.П., Храбров М.Ю. Пути совер¬шенствования осушительно-увлажнительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2016. № 1. С. 32-36.
12. Найденов С.В., Домашенко Ю.Е., Васильев С.М. Обзор во¬дооборотных систем на основе гидромелиоративного рециклинга // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Элек¬тронный ресурс]. 2018. № 2(30). С. 95-111. URL: http:rosniipm-sm. ru/dl_files/udb_files/udb13-rec548-field6.pdf.
13. 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.
14. 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
15. 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.
16. Культуртехнические работы на мелиорируемых землях: науч. обзор / О.В. Воеводин, А.Л. Кожанов, В.В. Слабунов, С.Л. Жук. Новочеркасск: ФГБНУ «РосНИИПМ», 2012. 24 с. Деп. в ВИНИТИ 04.07.12 № 291-В2012.
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.
