Россия
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 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Построенные осушительные мелиоративные системы способом закрытого дренажа показали свою эффективность, так как они создают наиболее благоприятный водно-воздушный режим почвы, который способствует росту растений, особенно в период их вегетации. Осушенные мелиорированные сельскохозяйственные угодья способом закрытых дренажей снижают мелкоконтурность, что повышает производительность техники и коэффициент земельного использования объекта мелиорации, а это существенно влияет на себестоимость выращиваемых культур на мелиорированном поле. В Нечерноземной зоне Российской Федерации насчитывается около 13 млн.га. переувлажненных сельскохозяйственных угодий, осушено было к концу 90-х годов прошлого столетия только около трети этих площадей. Все последующие десятилетия нового мелиоративного строительства закрытых осушительных систем в Нечерноземной зоне на проводили. Построенный закрытый трубчатый дренаж требует проведения регламентных ремонтно-эксплуатационных работ. Несвоевременное проведения очистки дренажей открытого и закрытого приводит к нарушению отвода влаги с мелиорированного поля, повышению уровня грунтовых вод, нарушению водно-воздушного режима почвы.
аэрофотосъемка, космический снимок, беспилотный летательный аппарат, дистанционное зондирование Земли, мелиорация, закрытый трубчатый дренаж, индикационные признаки, гидродинамическая промывка
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. Развитие мелиоративного комплекса: строительство, модернизация и техни-ческое перевооружение: справ. изд. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2021. 88 с.
2. Гулюк Г.Г., Янко Ю.Г., Штыков В.И., Черняк М.Б., Петрушин А.Ф. Руко-водство по мелиорации полей. СПб: ФГБНУ АФИ, 2020. 217 с.
3. Канцибер Ю.А., Золотов М.Е. Эффективность реконструкции осушительных систем в Ленинградской области // Реконструкция мелиоративных систем: сб. науч. тр. / Л.: СевНИИГиМ, 1990. С. 54-62.
4. Мейер Г. Я. и Кривоносов И. М. Применение аэрометодов для картирования закрытых дренажных систем // Труды лаборатории аэрометодов. Том V. / М.-Л.: Изд-во Акад. наук СССР, 1956. С. 83-106.
5. Мейер Г.Я. Дешифрирование по аэроснимкам закрытых дренажных систем // Аэрометоды изучения природных ресурсов: Сб. науч. тр. / М.: Географгиз, 1962. С. 282-286.
6. Методические указания по оценке мелиоративного состояния и проведения агромелиоративных мероприятий на осушаемых землях Ленинградской обла-сти. Л.: СевНИИГиМ, 1987. 31 с.
7. СП 100.13330 "СНИП 2.06.03.-85 Мелиоративные системы и сооружения", утверждены приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 16 декабря 2016 года № 953/Пр.
