Гидромодуль

Орошение (ирригация) – это искусственное увлажнение почвы для получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

Из 1,5 млрд. га возделываемых во всем мире земель:

· 40% — в зоне засушливого климата и орошение удваивает сельхозпродукцию,

· 15% — в зоне полуаридного климата, где орошение утраивает объем продукции за счет повышения урожайности и расширения посевных площадей.

· 45 % расположены в аридной пустынной зоне, где без орошения земледелие невозможно.

Рост орошаемых площадей в мире опережает темпы роста численности населения, см. рис.

Расчеты ФАО показывают, что орошаемая площадь в мире может быть увеличена до 3 раз.

Орошаемое земледелие, занимая чуть более 16 % всех обрабатываемых в мире земель, дает 2/3 мирового урожая риса, значительную часть хлопка, овощей, кормов и др.

Рост орошаемых площадей в мире несколько опережает темпы роста численности населения, рис. 6.1

Рис. 6.1. Рост орошаемых площадей в мире

По условию ведения сельского хозяйства Россия относится к странам с пониженной биологической продуктивностью. Вся западная Европа, кроме Норвегии и Финляндии, превосходят ее по биологической продуктивности. В полупустынной зоне России интенсивное ведение сельского хозяйства невозможно без орошения. Благодаря орошению засушливые районы стали цветущими оазисами, снабжая нашу страну хлопком, рисом, фруктами и другими культурами.

Степная зона отличается недостаточным количеством осадков и сильной изменчивостью их во времени; поэтому урожаи сельскохозяйственных культур сильно колеблются. Орошение, дополняя естественные осадки, позволяет получать ежегодно высокие урожаи зерновых, технических и кормовых культур, овощей, в 3-5 раз выше, чем на неорошаемых землях.

Классификация поливов

По времени проведения все поливы делят на две группы:

· Вегетационные — поливы, проводимые в период вегетации поливаемой культуры.

· Невегетационные — поливы, которые проводят на поле, еще не занятом сельскохозяйственной культурой.

1. Из вегетационных поливов выделяют поливы посадочные, подсадочные, подпитывающие, освежительные, увлажнительные.

Посадочный полив проводят во время посадки рассады, чем обеспечивается ее приживаемость.

Подсадочный полив проводят после посадки рассады, чем обеспечивается укоренение ранее высаженной рассады и приживаемость вновь подсаженной.

Подпитывающий (послепосевной) полив проводят вслед за посевом, с тем чтобы обеспечить своевременные и дружные всходы сельскохозяйственных культур, посеянных (посаженных) семенами.

Освежительный — полив нормой 50–100 м^з/гa, проводимый при суховее или в жаркое время для понижения температуры воздуха и повышения его относительной влажности. Тургор у растений повышается, растения легче переносят воздушную засуху, в результате чего повышается урожай. Освежительные поливы применяют для овощных культур и сахарной свеклы.

2. Невегетационные поливы по назначению делят на промывочные, провокационные, предпосевные и влагозарядковые, предпахотные и др.

Промывочные — поливы, которыми удаляют из почвы (промывают вниз) излишне вредные для растений соли.

Провокационные — поливы, которыми увлажняется верхний слой почвы, чтобы спровоцировать всходы сорняков. Взошедшие сорняки уничтожают боронованием, культивацией, ядохимикатами. Провокационные поливы применяют обычно на засоренных полях перед летним посевом проса, кукурузы, летней посадкой картофеля, перед посадкой рассады поздней капусты и других поздних культур.

Предпосевные — поливы, которые проводят перед посевом сельскохозяйственных культур для обеспечения своевременных и дружных их всходов.

Влагозарядковый — полив в допосевной период – осенью, зимой, ранней весной, а также летом (под повторные культуры) – для создания запасов влаги в 1,5–2-метровом слое почвы. В засушливых районах страны влагозарядковые поливы эффективны для всех культур, но особенно для озимой пшеницы в степной зоне.

Во всех случаях влагозарядковые поливы уменьшают количество вегетационных поливов и тем самым снижают потребность в затратах труда на них, уменьшают напряженность в работе оросительных систем в первую половину вегетационного периода.

Способы орошения

Способ поливов — это комплекс мероприятий на поле для подачи и распределения воды, увлажнения почвы.

Различают пять способов полива: поверхностный, дождевание, мелкодисперсное дождевание (увлажнение), внутрипочвенное и подземное орошение (рис. 6.2).

Рис.5. Классификация способов орошения:

а – поверхностный; б – дождевание; в – мелкодисперсное (аэрозольное) дождевание; г – внутрипочвенное орошение; д – подземное орошение (субирригация); 1– приземный слой воздуха; 2 – корнеобитаемый слой почвы; 3 – уровень грунтовых вод; 4 – водоупор

1. Поверхностный способ орошения является самым древним и наиболее распространенным. При поверхностном поливе почва увлажняется путем поглощения воды, подаваемой на поверхность орошаемого поля сплошным слоем или в виде отдельных струй. Этот способ орошения имеет четыре разновидности: по бороздам, по полосам, сплошным затоплением, выборочным затоплением (рис. 6.3).

1.2. При поливе по бороздам вода движется по нарезанным по полю углублениям (бороздам) не по всей поверхности, а только в междурядьях, при этом под слоем воды находится лишь 20-30% поверхности почвы. Увлажнение почвы между бороздами происходит путем рассасывания воды по капиллярам.

Рис. 6.3. Классификация поверхностных способов полива:

а — сплошное затопление; б — напуск по полосам; в — полив по бороздам; г — выборочное затопление

1.2. При поливе по полосам вода движется тонким слоем по поверхности выровненных длинных участков (полос) и в процессе движения впитывается в почву.

1.3. При поливе сплошным затоплением небольшой участок поля — чек, огражденный по периметру валиком, — затопляют водой, которая, находясь в состоянии покоя, просачивается в почву, увлажняя ее.

1.4. При поливе выборочным затоплением водой затапливают небольшие участки у отдельных растений, например плодовых деревьев.

2. Дождевание— способ полива, когда вода распределяется над поверхностью поля в виде дождя специальными машинами или агрегатами. Особенности дождевания: увлажняется почва, растения и приземный слой воздуха; глубина увлажнения почвы меньше, чем при поверхностном поливе; возможны частые поливы малыми нормами для равномерного увлажнение почвы.

3. Мелкодисперсное(аэрозольное)увлажнение — способ орошения, сущность которого состоит в распылении поливной воды в виде мельчайших капелек, покрывающих растения. Его особенности: снижение транспирации влаги растениями; создание оптимального микроклимата вокруг растений; устранение влияния атмосферной засухи; сохранение структуры почвы.

4. Внутрипочвенное орошение осуществляется путем введения воды в пахотный слой почвы. Уменьшает испарение с поверхности почвы; сохраняет структуру почвы; поддерживает определенную глубину увлажнения почвы; обеспечивает непрерывное водоснабжение растений.

5. Подземное орошение представляет собой увлажнение активного слоя почвы путем искусственного подъема и поддержания уровня пресных грунтовых вод. Его особенностями являются: возможность использования только при безуклонном рельефе; воздействие ограничивается только почвенно-грунтовым слоем; не оказывает влияния на микроклимат поля; используется только на незасоленных с хорошими капиллярными свойствами почвогрунтах.

К дальнеструйнымотносятся дождевальные машины ДДН-70 и ДДН-100 (рис.). Их конструкции и принцип работы аналогичны. Все оборудование смонтировано на специальной раме, навешиваемой на трактор. Привод насоса и вращение дождевального аппарата осуществляется через редуктор от вала отбора мощности трактора.

Полив проводится позиционно по кругу или сектору. Дождевальный аппарат вращается вокруг вертикальной оси, совершая один оборот за 4-5 мин. Вода забирается из открытых каналов или гидрантов закрытой оросительной сети.

Размер поля в направлении, поперечном оросителям, должен быть кратен расстоянию между ними (100-120 м). Крайние оросители нарезают от границ поля на расстоянии, равном половине расстояния между оросителями.

Схемы полива ДДН-70 и ДДН-100 приведены на рис. 14.

Рис. 14. Схемы полива дальнеструйными машинами ДДН-70 и ДДН-100:

а–по кругу; б–по сектору; 1–ороситель (временный ороситель или трубопровод); 2 – временная полевая дорога; 3 – граница поля; l – расстояние между оросителями; l₁ – расстояние между позициями дождевальных машин; заштрихована площадь полива с одной позиции с учетом перекрытия дождем

Максимально допустимые расстояния между позициями дождевальных машин на оросителе и между оросителями зависят от схемы размещения стоянок на позициях. Длину оросителей принимают 500-1000 м, уклон i < 0,002. Площадь полива за сезон для ДДН-70 составляет 60-70 га ДДН-100 – 90-100 га.

Достоинства дальнеструйных дождевальных машин ДДН-70 и ДДН-100 — компактность, высокая маневренность, малая металлоемкость. Их используют для полива овощных, кормовых, технических культур, садов, лесопитомников, лугов.

Внутрипочвенное орошение

Внутрипочвенный способ полива позволяет вводить оросительную воду с некоторой глубины непосредственно в корнеобитаемый слой. При этом пахотный горизонт увлажняется за счет капиллярных сил и механизма внутрипочвенного испарения-конденсации, а поверхность почвы практически не смачивается. В трубчатых системах внутрипочвенного орошения (рис. 15) вода распределяется по полю посредством трубок-увлажнителей (перфорированных, пористых или с очаговыми увлажнителями), которые располагают через 1-3 м на глубине 0,4-0,6 м (ниже пахотного горизонта).

Рис. 15. Схема системы внутрипочвенного орошения (продольная):

1 – водоисточник; 2 – насосная станция; 3 – очистные сооружения; 4 – распределительный трубопровод; 5 – оросительный трубопровод; 6 – колодец-стояк: 7 — водоотводный аэрационный трубопровод; 8 – колодец-переключатель; 9 – увлажнительные трубопроводы

Длина трубок-увлажнителей может достигать 100-200 м и более. Если в качестве увлажнителей использовать гибкие перфорированные полиэтиленовые трубы диаметром 20-40 мм, то возможно применение бестраншейного трубоукладчика, рабочим органом которого служит нож, прорезающий щель на глубину 0,45-0,6 м.

Капельный полив

При капельном способе полива оросительная вода по густо разветвленным трубопроводам через специальные микроводовыпуски (капельницы) подается малыми расходами (каплями) в корнеобитаемую зону растений. Системы капельного орошения могут быть непрерывного и порционного действия.

Рис. 6.6 Принципиальная схема системы капельного орошения:

1 – водозаборный узел; 2 – напорообразующий узел; 3 – головная задвижка; 4 – фильтр; 5 – водомерное устройство; 6 – манометр; 7 – устройство для приготовления и подачи в трубопроводную сеть удобрений; 8 – каналы связи; 9 – магистральный трубопровод; 10 – распределительный трубопровод; 11 – дистанционно управляемая задвижка; 12 – поливные трубопроводы; 13 – капельницы; 14 – датчик необходимости полива; 15–пульт управления

Подводящий трубопровод может проходить на поверхности земли и в грунте.

Во избежание засорения капельниц и отверстий в микропористых трубах систему оборудуют сетчатыми фильтрами.

Диаметр отверстий капельниц до 2 мм. Расход воды — 0,9 — 10 л/ч. Конструкция их различна.

При расходе воды 3,8 л/ч расстояние между капельницами составляет 1 м, длина поливного трубопровода – 40 м, диаметр – 12 мм. При расходе 10 л/ч и тех же расстояниях и длине диаметр трубопровода равен 16 мм.

Достоинства: локальное увлажнение воды только в зоне размещения корневой системы, сухие междурядья позволяют беспрепятственно проводить механизированные работы, значительная экономия воды, простота эксплуатации.

Недостатки: засоряемость капельниц, высокие капитальные вложения, что делает экономически целесообразным применение систем капельного орошения лишь для полива высокодоходных многолетних насаждений на крутых склонах при дефиците водных ресурсов.

Лиманное орошение

Лиманное орошение — способ увлажнения почвы путем задержания и использования вод местного стока. Территорию окружают с низовых сторон валами или дамбами, что создает условия для затопления ее весенними талыми водами. После достаточного увлажнения почвы лимана и отложения содержащихся в воде илистых частиц лишняя вода сбрасывается через устроенные в дамбах водовыпуски.

Достоинства лиманного орошения: простота и дешевизна устройства по сравнению с регулярным орошением, доступность источника орошения и возможность орошать повышенные, даже водораздельные площади, большое гидрологическое действие – поглощение поверхностного стока, превращение его в грунтовые водные токи, уменьшение половодья и усиление меженного питания рек, снижение эрозионных процессов, улучшение солевого режима почв.

Недостатки: полив возможен только один раз весной – в период прохождения паводков, по площади лимана почва увлажняется неравномерно, площадь затопления по годам резко колеблется, в зависимости от объема паводковых вод.

Лиманы могут быть одноярусными (простыми) и ярусными. По глубине затопления их разделяют на мелководные (до 0,3 м) и глубоководные (более 0,3 м).

Площади, отводимые под лиманное орошение, должны иметь небольшой уклон – до 0,005. Наилучшие условия складываются при уклоне до 0,001: при постройке невысоких земляных валов образуются лиманы большой площади.

Мелководные лиманы обеспечивают более равномерное увлажнение почвы по сравнению с глубоководными и эффективнее используют паводковую воду.

На ярусных лиманах у подошвы верхнего вала держится минимальный слой воды – 6-10 см, у нижнего — максимальный.

Ширина лимана 100-700 м. Длину (вдоль горизонталей) в целях облегчения работ по распределению воды, наполнению и опорожнению лимана берут не более 600 м. Очень длинные лиманы распределительными валами делят на секторы.

Рис. 6.7 Схемы лиманов:

а–ярусные с пропуском паводка по пойме; б–ярусные в пойме реки; в– проточные; г–простые; д–ярусные в котловане; е–ярусные с питанием из водохранилища; ж – ярусные с питанием из канала; з – лиманы-чеки; и – мелководные ярусные; 1 – водоудерживающие валы; 2 – распределительные и струенаправляющие валы; 3 – плотина; 4 – насосная станция; 5 – естественные водоотходы; 6 – водовыпуски; 7 – водоспуски; К – канал; K₁ – распределительный канал; В – водоспускной канал; В₁ – водослив; а₁, а₂, а₃ – соответственно 1, 2 и 3-й ярусы

Высоту водоудерживающих валов на мелководных лиманах назначают из расчета, чтобы наивысший уровень воды в лимане был на 10-20 см ниже гребня вала, обычно она составляет 0,5-0,8 м. Ширину гребня берут не менее 0,5 м, а при насыпке валов бульдозерами доводят до 2,2 м. При такой ширине гребня возможны механизированная насыпка вала и тщательное послойное уплотнение грунта на полную высоту. Валы должны быть проходимыми для сельскохозяйственных машин, с крутизной откосов 1:4 или 1:5. Откосы их укрепляют травами.

Валы глубоководных лиманов имеют значительную высоту (2 м и более). Место их расположения намечают с помощью геодезических инструментов (теодолита и нивелира). Земляные работы выполняют грейдерами, бульдозерами, тракторными плугами с удлиненными отвалами. Перед насыпкой по трассе валов растительный слой снимают на глубину 30-40 см и потом используют для насыпки (10-15 см) по их гребню и откосам.

ОРОСИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Конструкция оросительной системы зависит от природных условий района и задач увлажнения сельскохозяйственных культур.

В засушливой зоне и зоне недостаточного увлажнения орошаются все возделываемые культуры за исключением сравнительно небольших богарных участков. Здесь оросительные системы стационарного типа имеют большую площадь, современную оросительную сеть, коллекторно-дренажная сеть обязательна. Такие системы обслуживают несколько хозяйств, обеспечивая получение высоких и гарантированных урожаев различных сельскохозяйственных культур.

В зоне неустойчивого увлажнения оросительные системы имеют ряд особенностей. Здесь орошение является дополнением к естественным осадкам. Орошаются отдельные участки, которые составляют лишь некоторую часть посевной площади, оросительная и дренажная сети характеризуются большой разветвленностью и значительной протяженностью холостой части. Чаще всего здесь сооружают оросительные системы полустационарного, а иногда и передвижного типа.

Выбор конструкции системы зависит от рельефа местности. При сложном рельефе обычно проектируют трубчатые оросительные системы с закрытой коллекторно-дренажной сетью.

Конструкция оросительной системы зависит и от источника орошения, его расположения по отношению к орошаемой площади. Тип водоисточника определяет конструкцию водозаборного сооружения, протяженность магистрального канала, необходимость в отстойнике. Для повышения водообеспеченности оросительной системы создают регулирующие водохранилища.

В состав оросительных систем необходимо включать рыбозащитные и рыбопропускные сооружения: сетки с рыбоотводами, рыбоходы, рыбоподъемники, рыбопропускные шлюзы.

На современном этапе особое внимание уделяют рациональному использованию природных ресурсов. Местоположение, границу и конструкцию оросительной системы определяют с учетом полного использования территории под орошение и ориентации хозяйств, их количества, размеров севооборотных участков. Современные оросительные системы должны обеспечивать применение наиболее прогрессивных высокопроизводительных способов и техники полива.

Водозаборные сооружения

Водозаборные сооружения забирают воду в оросительную систему из водоисточника. Они должны:

· обеспечивать бесперебойную подачу воды в соответствии с планом водопользования на системе, независимо от водоисточника;

· не допускать попадания из водоисточника в систему песчаных донных наносов и ограничивать поступление взвешенных;

· предохранять систему от поступления избыточных вод во время паводков, а также плавающих тел, льда, шуги;

· быть долговечными, надежными и безопасными в эксплуатации;

· иметь водомерные устройства для учета забираемой воды.

Водозаборные сооружения – самотечныеи механические.

1. Самотечные водозаборы, могут быть:

1) бесплотинные водозаборы (рис. 18), которые сооружают в том случае, если самотечная подача воды в систему возможна при естественных уровнях и расходах в реке без их регулирования;

1) плотинные – когда естественные уровни воды в реке не позволяют подавать воду в систему самотеком и самотечную подачу воды обеспечивает водоподъемная плотина. Плотинные водозаборы наиболее распространены.

Тип и конструкцию водозабора принимают с учетом многих факторов: топографических и геологических условий, гидрологического режима реки, количества наносов и др.

Для предотвращения заиления каналов оросительной системы водозаборы оборудуют отстойниками. Отстойник выполняют в виде бассейна с большой площадью поперечного сечения. Благодаря малой скорости течения воды в нем наносы осаждаются, потом их удаляют из отстойника (механической очисткой или гидравлической промывкой).

2. Механические водозаборы позволяют орошать земли, расположенные значительно выше водоисточника. Насосную станцию, забирающую воду из источника орошения, называют головной, или 1-го подъема. При большой высоте подъема, кроме головной, сооружают несколько последовательно расположенных насосных станции (2-го, 3-го подъема и т. д.) – перекачивающих. Забирают воду из открытых каналов и подают по закрытой сети к дождевальным машинам подкачивающие насосные станции.

Насосные станции могут быть стационарными, плавучими и передвижными (рис. 19).

Стационарные насосные станции оборудуют центробежными и осевыми насосами. Для привода насосов в действие используют электрические двигатели, реже – внутреннего сгорания.

Рис. 7.2. Схемы плавучих и передвижных насосных станций:

а – плавучая с многосекционным плавучим соединительным трубопроводом; б – передвижная СНП 50/80; в– передвижная СНП 500/10

Плавучие насосные станции применяют в тех случаях, когда строительство стационарных технически трудно осуществимо или экономически нецелесообразно: при больших колебаниях уровней воды (более 5 м) в водоисточнике, неустойчивых берегах, подверженных размыву, и др. Они представляют собой плавучий корпус из металла или железобетона, внутри которого установлены насосы, двигатели, всасывающие и напорные коммуникации и различное вспомогательное оборудование. Вода поступает на берег по соединительным трубопроводам.

Для орошения небольших участков используют передвижные насосные станции. Их монтируют на рамах и прицепах, имеющих колеса или полозья. Привод насосов – от вала отбора мощности трактора, на который навешивается насосная станция, или от дизельных и электрических двигателей, смонтированных вместе с насосами.

Оросительная сеть

Оросительную сеть по выполняемым функциям делят на проводящую и регулирующую.

Проводящая сеть транспортирует воду от источника орошения к орошаемой территории и включает крупные постоянные магистральные каналы или трубопроводы. Чтобы канал или трубопровод мог оросить большую площадь, его выполняют по командным, то есть более высоким, отметкам территории.

К регулирующей сети относятся мелкие временные каналы, поливная сеть (поливные борозды, полосы, чеки, внутрипочвенные увлажнители, которыми поливная вода распределяется по полю) и поливные трубопроводы. Регулирующую сеть можно устраивать из закрытых и открытых быстроразборных трубопроводов.

Общая площадь земель, нуждающихся в осушительной мелиорации, составляет 200-220 млн га, из них около 92 млн га – земли сельскохозяйственного использования. Переувлажненные сельскохозяйственные земли включают 12,4 млн га пашен и залежей, 18,8 млн га частично заболоченных сенокосов и пастбищ и 59,8 млн га болот.

Наиболее крупная территория в Нечерноземной зоне – Мещерская низменность (Московская, Рязанская и Владимирская области). Осушение в этих районах проводятся с I860-1880 годов.

В Западной Сибири наиболее крупный объект осушения – Барабинская низменность общей площадью 11,7 млн га. Общий мелиоративный фонд Западной Сибири оценивается в 33 млн га преимущественно болот и заболоченных земель.

Большие площади земель нуждаются в осушительных мелиорациях и на Дальнем Востоке. Мелиоративный фонд этого региона изучен пока недостаточно.

Главная причина избыточного увлажнения сельскохозяйственных земель – превышение количества выпадающих атмосферных осадков над расходом влаги на суммарное испарение (с поверхности почвы и водных объектов, транспирация растений). Вследствие этого при отсутствии условий для быстрого отвода воды (пересеченный рельеф, водопроницаемые подпочвенные горизонты грунта и др.) всегда возникает избыток увлажнения верхних слоев почвы.

Переувлажненные земли делятся на три основных типа: болота, заболоченные земли и минеральные земли. Они различаются но мощности торфяного слоя.

1. Если мощность торфяных отложений превышает 30 см, то почва называется болотом.

2. При глубине торфа менее 30 см почву относят к заболоченнойземле.

3. При полном отсутствии торфяного покрова на поверхности почвы переувлажненные земли относят к минеральным.

80 % всей площади земель, подлежащих осушению, составляют болота и заболоченные земли.

Особую группу составляют затопленные и подтопленные земли, площадь которых непрерывно возрастает в связи с регулированием речного стока водохранилищами.

Образование болот.Процессы образования болот можно объединить в две группы:

· заторфовывание водоемов,

· заболачивание суходолов–первоначально сухих почв.

Происходит накапливание массы полуистлевших, насыщенных водой растительных остатков, образующих торфяной слой. В первом случае болота образуются в результате заполнения торфом уже имеющегося водоема. Во втором отложение торфа происходит в процессе заболачивания лесов или лугов, где большие массы воды накапливаются в процессе развития влаголюбивых растений — торфообразователей, вызывающих рост и развитие торфяного слоя.

На территории России преобладают суходольные болота. Они, образуются лишь гам, где этому способствуют климат, геологические и гидрогеологические условия, рельеф и характер растительности. Природные условия, воздействуя на почву комплексно, создают определенную среду, благоприятствующую или не благоприятствующую образованию и развитию болот.

Болотав соответствии с особенностями делят на 3 типа: низинные, переходные и верховые.

1. К низинному типу относятся такие болота, в которые наряду с атмосферными осадками поступают грунтовые сильно минерализованные жесткие воды. Растительный покров таких болот определяется минеральным питанием, что обусловливает отложение торфа с большим содержанием минеральных веществ, то есть с высокой (до 50-60%) зольностью.

2. К верховому типу относятся болота, в водном питании которых преобладают атмосферные осадки. Растительность здесь получает мало минеральных веществ, поэтому отлагающийся торф имеет малое содержание минеральных веществ, то есть низкую (не более 5-10 %) зольность.

3. Переходные болота занимают промежуточное положение. В их водном питании грунтовые воды играют либо небольшую роль, уступая атмосферным осадкам, либо из-за геологических условий содержат небольшое количество минеральных соединений. Растительный покров таких болот характеризуется сочетанием как «низинных», так и «верховых» растений. Торф, отлагающийся на таких болотах, характеризуется средней (15-25%) зольностью.

Для сельскохозяйственного производства наиболее ценны высокозольные, сильноразложнвшиеся низинные торфяники, содержащие в достаточном количестве азот, а иногда и фосфор. Болота с зольностью менее 15 % для земледелия, как правило, не используют.

Основные показатели почв, используемые при проектировании мелиоративных мероприятий, следующие: коэффициент фильтрации Кф, водоотдача m, полная (ПВ) и наименьшая (НВ) влагоемкость, пористость р, объемная масса a и др.

Все используемые в сельском хозяйстве избыточно увлажненные земли подразделяются на земли временного и постоянного избыточного увлажнения.

1. Земли временного избыточного увлажнения включают в себя: минеральные земли водоразделов и пологих склонов, периодически переувлажняемые водами атмосферных осадков во время половодья и паводков; минеральные или заболоченные земли, увлажняемые безнапорными грунтовыми водами, режим которых тесно связан с выпадением атмосферных осадков; поймы средних и крупных рек, периодически затопляемые полыми водами.

2. К землям постоянно избыточного увлажнения относятся: территории, увлажняемые напорными грунтовыми водами, расположенные у подножий склонов; замкнутые понижения в поймах рек, где уровень грунтовых вод подпирается рекой в меженный период; болота всех типов.

Тип водного питания (ТВП) – мелиоративная характеристика, определяющая основные источники переувлажнения земель. ТВП синтезирует в себе климатические, геологические, гидрогеологические, геоморфологические, почвенно-литологические, почвенные и прочие условия.

Типы водного питания делятся на пять основных ТВП:

Рис. 8.1. Формирование водного режима по элементам рельефа:

1 – осадки; 2 – склоновые поверхностные воды; 3 – уровень грунтовых вод (УГВ): 4 – приток напорных вод; 5–уровень меженных вед (УМВ); 6– уровень паводковых вод (УПВ)

При атмосферном ТВП основным источником питания служат атмосферные осадки. Он присущ верховым болотам, а также глинистым и суглинистым минеральным почвам, расположенным на водораздельных плато и равнинах.

При склоновом ТВП переувлажнение земель происходит за счет воды, стекающей со склонов. Характерен для тяжелых минеральных почв, расположенных на склонах или у их подножья.

При грунтовом ТВП в переувлажнении земель участие принимают грунтовые воды (первый от поверхности земли водоносный горизонт). Характерные признаки земель с грунтовым ТВП– достаточно высокая водопроницаемость и близкое к поверхности земли (0…1 м) залегание грунтовых вод. Такие земли расположены в низинах и понижениях на нижних частях склонов.

При грунтово-напорном ТВП в переувлажнении земель принимают участие напорные воды (обычно приуроченные ко второму от поверхности земли горизонту, отделенному от первого слабопроницаемым глинистым пластом). Этот ТВП характерен для низинных болот и отдельных их участков, расположенных в глубоких понижениях или у подошвы склонов.

При намывном ТВП причиной переувлажнения служат воды рек, озер, водохранилищ, выходящие из берегов в периоды половодья, паводков и приливов, застаивающиеся на поверхности земли. Этот ТВП основной для земель, расположенных в поймах рек и озер, в речных дельтах.

В пределах одного массива обычно имеется сразу несколько типов водного питания, то есть смешанный ТВП. При назначении мелиоративных мероприятий исходят из основного ТВП.

Методы и способы осушения

В зависимости от пути, по которому вода отводится с осушаемой территории, различают пять методов осушения. Каждому ТВП отвечает свой метод:

1) при атмосферном ТВП — ускорение поверхностного стока;

2) при склоновом – перехват поступающего на осушаемый массив склонового стока;

3) при грунтовом – понижение уровней грунтовых вод (ускорение внутреннего стока);

4) при грунтово-напорном – понижение уровней подземных вод и уровней грунтовых вод;

5) при намывном – ускорение или задержка паводкового речного и озерного стока (регулирование режима половодья и паводков).

Способ осушения назначают исходя из метода осушения. Каждому методу отвечает ряд способов.

Под способом осушения понимают реализацию метода осушения с учетом технической, хозяйственной и экономической целесообразности.

Основные способы осушения следующие:

1) при атмосферном ТВП — устройство каналов, искусственных ложбин, закрытых собирателей, проведение агромелиоративных мероприятий (кротование, рыхление подпахотного слоя и др.);

2) при грунтовом и грунтово-напорном ТВП — устройство осушителей (каналов), дрен, глубоких каналов, разгрузочных скважин, вертикального дренажа;

3) при склоновом ТВП — устройство нагорных каналов, проведение противоэрозионных мероприятий на склонах;

4) при намывном ТВП — регулирование русел рек (спрямление, углубление и др.) и речного стока (сооружение водохранилищ, перехват притоков рек каналами и др.), строительство дамб.

Принципиальную схему осушения и конструкцию основного элемента осушительной системы – ее регулирующей сети — определяют в зависимости от выбранного способа осушения.

Мелиоративные системы в зоне избыточного увлажнения должны: своевременно отводить поверхностные воды и понижать грунтовые; подавать воду на поле в засушливые периоды; создавать условия для беспрепятственной работы сельскохозяйственных машин.

Режим осушения – это поддерживаемый мелиоративными мероприятиями оптимальный водно-воздушный режим почвы.

Он характеризуется следующими основными показателями: аэрацией почвы А, ее влажностью W, нормой осушения Z, критической глубиной залегания грунтовых вод Z_к, допустимой продолжительностью затопления Т.

Аэрация почвы А – это свободная порозность, равная разности между общей пористостью почвы Р и ее влажностью W, выраженной в процентах от полной влагоемкости:

A=P–W.

Стремятся поддерживать аэрацию в пределах 20-40%. Это означает, что 20-40 % пор корнеобитаемого слоя почвы должны быть свободны от влаги и заполнены воздухом. Снижение аэрации до 20 % и ниже ведет к замедлению газообмена почвы с атмосферой, нехватке кислорода, оглеению, началу торфообразования и снижению урожаев.

Влажность осушаемой почвы W должна лежать в пределах 50-80 % от полной ее влагоемкости ПВ (численно равной пористости Р). Большие значения W (75-80%) нужны влаголюбивым растениям (травам), меньшие (60-70%)–овощным культурам, средние (70-75%) — зерновым.

Норма осушения Z – это минимальное расстояние от дневной поверхности до уровня грунтовых вод, которое находится обычно посередине между элементами регулирующей сети. Она, определяемая глубиной и расстоянием между регулирующими элементами осушительной сети, служит величиной, которую задают в проекте.

Рис. 8.3. Норма осушения (опытная)

Тесная же взаимосвязь между глубиной расположения грунтовых вод и влажностью почвы в большинстве случаев позволяет задавать одну характеристику – норму осушения, для того чтобы определить остальные характеристики режима осушения.

В районах распространения минерализованных грунтовых вод в связи с опасностью засоления почв в режиме осушения используют понятие критической глубины грунтовых вод Z_к.

Таблица 8.1 — Средние значения нормы осушения, Z см

При расположении уровня грунтовых водна критической глубине засоления не происходит, так как капиллярного притока, несущего соль в почву, практически нет. Критическая глубина больше нормы осушения в среднем в полтора раза, то есть Z_к » 1,5Z.

Допустимую продолжительность затопления весенними или паводковыми водами луговбез ущерба для урожая трав составляет 3-30 суток. Затопление весной озимых зерновых культур не допускается.

Количественную оценку источников переувлажнення и соответствующих ТВП устанавливают на основании водного баланса данной территории. Водный баланс осушаемой территории составляют для участков земли, ограниченных в разрезе дневной поверхностью, нижней границей корнеобитаемого слоя и уровнем грунтовых вод или водоупором.

(Р П_п П_г К) — (Е_п Е_в Т S_п S_г) -= DW_n DW_в DW_г

где Р – атмосферные осадки; П_п–приток поверхностных вод; П_г–приток грунтовых вод; К–конденсация влаги на поверхности почвы (в виде росы или инея) и в самой почве; Е_п–испарение с поверхности почвы; Е_в–испарение с водной поверхности; Т–транспирация влаги растениями; S_п– поверхностный сток за пределы рассматриваемой территории; S_г– то же, грунтовых вод; DW_n, DW_в, DW_г– изменение запасов влаги соответственно на поверхности почвы, в зоне аэрации и грунтовых вод.

Для решения уравнения водного баланса необходимы материалы метеорологических, почвенных, гидрологических и гидрогеологических наблюдений.

ОСУШИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Осушительная система — комплекс инженерных сооружений и устройств, создающих необходимые условия для улучшения водного режима переувлажненных земель.

В состав осушительной системы входят: регулирующая сеть, ограждающая сеть, проводящая сеть, водоприемник, гидротехнические сооружения, дорожная сеть, лесополосы, эксплуатационная сеть (рис.9.1).

Рис. 9.1. Схема осушительной системы:

1 – водоприемник; 2 – шлюз-регулятор; 3 – магистральный канал: 4 – полевая дорога; 5 – открытый коллектор; 6 – мост; 7 – нагорно-ловчий канал; 8 – открытый осушитель; 9 – направление течения воды; 10 – устье закрытого коллектора; 11 – дрена; 12 – закрытый коллектор; 13 – колодец на закрытом коллекторе

Регулирующая сеть (осушители, собиратели, скважины вертикального дренажа и др.) служит для сбора и удаления с территории избыточных поверхностных и грунтовых вод, являющихся причиной переувлажнения территории.

Ограждающая сеть (нагорные и ловчие каналы, дамбы и др.) предназначена для защиты осушаемой территории от поверхностных или грунтовых вод, притекающих извне. При склоновом и намывном ТВП ограждающая сеть выполняет функции регулирующей.

Проводящая сеть (магистральный канал, транспортирующие собиратели, коллекторы) связывает регулирующую и ограждающую сети с водоприемником, транспортирует воду за пределы осушаемой территории.

Водоприемник(река, озеро, балка и т. д.) служит для приема воды, собираемой с осушаемой территории.

Гидротехнические сооружения (шлюзы, перепады, смотровые колодцы и др.) предназначены для управления потоком воды при ее отводе или перераспределении.

Дорожная сеть (дороги, переезды, мосты и др.) служат для беспрепятственного передвижения транспорта и сельскохозяйственных машин по осушаемой территории.

Лесополосырегулируют микроклимат на полях, препятствуют ветровой эрозии.

Эксплуатационная сеть (гидрометрические посты и др.) используется для контроля и надзора за работой всех звеньев осушительной системы и обеспечения бесперебойной ее работы.

Осушительные системы бывают:

1) открытые (регулирующая сеть — открытые каналы);

2) закрытые (регулирующая сеть представлена закрытыми дренами). Крупные проводящие и ограждающие каналы в обоих случаях открытые.

Открытые системы применяют при осушении болот, лесов и малопродуктивных сенокосов. Основной недостаток состоит в том, что каналы создают препятствия для механизации сельскохозяйственных работ, снижают КЗИ, требуют постоянного ухода.

Закрытые осушительные системы технически более совершенны, долговечны, не имеют недостатков открытых систем, но строительство их обходится дороже.

По способу отвода воды осушительные системы разделяют на самотечные и с машинным водоподъемом. В самотечных системах вода из проводящей сети отводится в водоприемник по уклону русла. В системах с машинным водоподъемом воду из каналов проводящей сети откачивают в водоприемник насосами.

Осушительные системы по характеру воздействия на водный режим осушаемой территории делят на системы одностороннего действия (сеть построена только для отвода избыточной воды) и двустороннего действия (осушительно-увлажнительные).

Виды регулирующей сети. В зависимости от ТВП регулирующую сеть выполняют:

1.в видеосушителей(грунтовое и грунтово-напорное питание);

2.в видесобирателей (остальныеТВП).

В настоящее время строят преимущественно закрытые осушительные системы, причем закрытые дрены могут быть как осушителями, так и собирателями.

Назначение регулирующей сети – создавать и поддерживать водно-воздушный и тепловой режимы в соответствии с требованиями сельскохозяйственных культур.

Глубина заложения регулирующей сети и расстояние между каналами или дренами — зависят от водно-физических свойств почв, выращиваемых культур и др.

Открытая регулирующая сеть – это каналы, устраиваемые для оттока грунтовых вод с целью понижения их уровней (осушители), а также для сбора с осушаемой территории поверхностных вод (собиратели).

Осушители размещают параллельно друг другу (систематическая сеть) поперек потока грунтовых вод под острым углом к горизонталям (поперечная схема) или при уклоне поверхности по их трассе параллельно горизонталям и гидроизогипсам (продольная схема) (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Поперечная (а) и продольная (б) схемы расположения дренажа:

1 – дрена; 2 – закрытый коллектор; 3 – горизонталь; 4 – магистральный канал или транспортирующий собиратель; 5 – устье закрытого коллектора

Открытые осушители выполняют с минимальным уклоном 0,0005, сечение каналов трапецеидальное, ширинапо дну 0,4-0,5 м, заложение откосов 1-1,5, глубина осушителей зависит от нормы осушения и находится в пределах 11,5 м. Расстояние между ними зависит от водно-физических свойств почв и составляет обычно 60-100 м, а иногда и более. Расстояния между каналами принимают по рекомендациям научно-исследовательских учреждений.

Открытые собиратели ускоряют отвод избыточных вод, образующихся на поверхности почвы (атмосферный, склоновый, частично намывной ТВП). Это каналы глубиной 0,8-1,2 м, другие характеристики их — как у открытых осушителей. Длина собирателей — до 1-1,2 км. Расстояние между собирателями колеблется в пределах 80-120 м, а при осушении под луга – 100-200 м. Для определения расстояний между открытыми собирателями имеются зональные рекомендации.

Сеть открытых собирателей разделяет осушаемую территорию на небольшие участки, создает препятствия для передвижения по полю сельскохозяйственной техники. Под каналами и бермами иногда пропадает до 10-15% площади осушаемых земель. Поэтому в настоящее время отдается предпочтение закрытым осушителям и собирателям.

Закрытая регулирующая сеть. При грунтовом и грунтово-напорном ТВП грунтовые воды отводят в проводящую сеть при помощи сделанных в подпочвенном слое отверстий – дрен.

Дреныбывают с закрепленными стенками и свободной полостью (гончарные, пластмассовые, деревянные и др.), с незакрепленными стенками и свободной полостью (кротовые и щелевые), с незакрепленными стенками и заполненной полостью (жердевые, каменные) и др.

Дрены с закрепленными стенками и свободными полостями обычно более долговечны.

Закрытые дрены располагают по поперечной схеме – параллельно или под острым углом к гидроизогипсам. Такие дрены с наибольшим эффектом перехватывают потоки грунтовых вод. Лишь при практически безуклонной поверхности (i<0,0005) используют продольную схему. Дрены делают с искусственным уклоном, их глубина увеличивается от истока к устью.

Дренаж бывает траншейным и бестраншейным. Траншейный дренаж состоит из выполненных экскаватором траншей шириной 0,4-0,5 м, труб, стеллажей, фильтра и грунта дренажной засыпки (рис. 25). При бестраншейном строительстве дренажа трубы укладывают в полость, выполненную специальным экскаватором.

Рис. 9.3. Конструкции закрытых дренажей (размеры в см):

а — кротовая дрена; б — щелевая дрена; в — дрена из каменных плит; г — дрена из каменной наброски; д – жердевая дрена; е — фашинная дрена; ж — дощатая дрена; з — гончарная или пластмассовая дрена; 1 — гумусированный слой; 2 — защитный фильтрующий материал; 3 – камень; 4 – жерди; 5 – деревянная прокладка; 6 — фашина; 7 – труба из досок; 8 — гончарная или пластмассовая дрена

В настоящее время наиболее распространен траншейный способ строительства дрен.

В малоустойчивых почвах для предохранения укладываемых в траншею труб от смещения в вертикальной плоскости устраивают подкладки-стеллажи из деревянных планок.

Материалами для дрен служат обожженная глина с добавками (керамические или гончарные трубы, этот вид материального дренажа наиболее распространен), пластмассовые трубы, камень, дерево, стекло и др. По виду материала различают: гончарный, пластмассовый, каменный и другие виды дренажа.

Вода поступает в дрены через отверстия в их стенках или через стыки между трубами. Для защиты дрен от заиления и увеличения водоприемной способности делают фильтры из мха, песка, стеклоткани и других материалов. В качестве защитного материала используют гумусироваиный слой почвы высотой 20…30 см. Далее траншею засыпают вынутым из нее грунтом.

Гончарные трубы для дрен, выполняют из глиняных, хорошо обожженных труб правильной цилиндрической или граненой формы.

Их изготовляют с внутренним диаметром 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200 и 250 мм длиной 333 мм, а трубы диаметром более 100 мм – длиной 500 мм. Зазоры между трубами не должны превышать 1-2 мм.

При укладке граненых труб производительность труда и качество работ ниже, чем при укладке цилиндрических.

Осушительные дрены устраивают из труб диаметром 50-75 мм, коллекторы – из труб больших диаметров.

Рис. 9.4. Гончарные дренажные трубы:

а. г – цилиндрические и граненые; б — с опорной плоскостью; в — перфорированные; д — рифленые; е — с фасками; ж — раструбные; з — фланцевые; и – с фигурным торцом

Для укладки труб сначала отрывают траншею глубиной, равной глубине закладки дренажа. Ширина такой траншеи определяется шириной дреноукладчика или экскаватора. Дно траншеи тщательно планируют. Осушительным дренам придают уклон не менее 0,002 и не более 0,01. Укладку ведут сверху вниз по уклону. На 1 га осушаемой площади в зависимости от расстояния между дренами требуется следующее количество дренажных труб:

Укладка дренажных труб в траншеи полностью механизирована, (рис.9.5). Гончарный дренаж при благоприятных условиях имеет большой срок службы, не менее 50 лет.

Пластмассовые трубы бывают полихлорвиниловые или полиэтиленовые (гладкие или гофрированные). Трубы перфорируют щелевыми (ширина 1-2,5 мм, длина 10-50 мм), реже круглыми (диаметр до 2 мм) отверстиями, через которые в них проникает вода. Поступают они в бухтах длиной до 200 м и более, поэтому их укладку легко механизировать (рис. 9.6).

Основное преимущество такого дренажа заключается в том, что трубы в работе не изнашиваются, они легче гончарных, что снижает затраты на их транспорт к месту укладки.

Для строительства материального закрытого дренажа в отдельных случаях используют каменную наброску (при наличии камней), бетонные и асбестоцементные трубы. В опытном порядке в траншею также засыпают гранулированный подсушенный торф.

Глубина заложения материальных дрен в минеральных грунтах составляет 1-1,3 м. Если дрены закладывают с искусственным уклоном, то глубина их в истоке не должна быть менее 0,7-0,9 м.

Уклоны дрен со свободной полостью должны составлять 0,002-0,003. Требования к дренам с наполнителями полости (каменная наброска, гранулированный торф) иные: во избежание быстрого заиления такие дрены должны иметь уклон не менее 0,004-0,005.

Длина дрен зависит от их уклона и пропускной способности. При обычных диаметрах пластмассовых дрен, равных 40-50 мм, и уклоне i = 0,003 их делают длиной 150-250 м. При увеличении диаметра и особенно уклона, например до 0,01, длину дрен можно увеличить до 300-400 м.

Расстояние между дренами (м): торф низинный – 20-40; песок мелкозернистый – 30-60; супесь – 25-40; суглинок – 14-20.

Дрены с незакрепленными стенками.Этот вид дренажа дополняет основные виды систематического дренажа, позволяя увеличивать расстояние между дренами.

Кротовый дренаж представляет собой незакрепленные подземные ходы, напоминающие кротовые норы. Его закладывают на беспнистых болотах с уклонами не менее 0,002-003. Кротовые дрены используют как собиратели и осушители. Глубина закладки 0,7-1 м.

Кротовые дрены устраивают кротодренажными машинами КДГ-80 и др. (рис. 9.7). Рабочий орган – дренер — имеет диаметр от 8 до 20 см. Дрены располагают перпендикулярно к осушительным каналам или под углом 80° к направлению течения в них воды.

Срок службы кротового дренажа — от 2 до 5 лет, после чего его нужно возобновлять. В суглинистых грунтах расстояние между дренами — в среднем 5 м, в торфяных – 5-10 м. Сгущение дрен необходимо в связи с тем, что кротовые дрены быстро выходят из строя. Длина кротовых дрен не превышает 150 м. При применении в комбинации с другим дренажем длина равна расстоянию между каналами.

Щелевой дренаж устраивают в сочетании с открытой сетью каналов. Щелевые дрены имеют разнообразную форму, ширина их по дну 100-180 мм, глубина до — 80 см. Для сохранения полости щелевых дрен от засыпания при вспашке их закрывают на глубину до 40 см.

Иногда щелевой дренаж используют в качестве основного вида систематического дренажа, глубина его достигает 2,5 м, длина – 200-300м, уклон — 0,005 и более. Расстояния между дренами 25-45 м. Срок действия щелевого дренажа больше, чем кротового.

Щелевой дренаж, выполняют щеледренажными машинами.

Вертикальный дренаж – это система скважин для осушения земель. Воду из скважин откачивают насосами. Вертикальный дренаж используют при соответствующем литологическом строении водоносного комплекса (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Схема вертикального дренажа:

1 — осушаемый массив; 2 — водоносный пласт; 3 — водоупор; 4 — скважина; 5 – погружной насос; 6–рукав; 7 – депрессионная кривая. Стрелками показано направление движения воды

Осушаемые земли подстилаются более или менее мощной толщей песков. Тогда, как это показано на рисунке, снижение уровня грунтовых вод в подстилающих песках вызывает вертикальный отток воды из осушаемого пласта, что дает возможность увеличивать расстояние между скважинами. Это расстояние устанавливают расчетами, приведенными в специальной литературе. Использование вертикального дренажа для осушения земель экономически оправдывает себя при расстоянии между скважинами 200-300 м и более.

Для ускорения процесса осушения вертикальным дренажем иногда устраивают водопоглощающие колодцы. Их пробуривают в виде скважин и засыпают фильтрующим материалом.

Осушительная сеть в плане.По степени покрытия осушаемой площади закрытый или открытый дренаж может быть систематическим, разреженным и выборочным.

· При систематическом дренаже дрены распределены по осушаемой территории равномерно, с приведенными выше расстояниями между ними.

· Разреженный дренаж равномерно покрывает осушаемую территорию, но расстояние между дренами в 1,5-2 раза больше рекомендуемого для данной зоны. Такой дренаж предназначен для отвода воды в годы повышенной водности.

· Выборочный дренаж проводят только по тальвегам, вымоинам, замкнутым понижениям местности и другим участкам с повышенной увлажненностью, отвод воды с которых обеспечивает нормальный водный режим всей осушаемой территории.

Проводящая осушительная сеть. К ней относятся:

· с открытыми каналами – транспортирующие собиратели и магистральные каналы;

· с закрытым дренажем – закрытые и открытые коллекторы, транспортирующие собиратели и магистральные каналы.

Каналы проводящей сети прямолинейны, с минимальным числом поворотов, пересечений с дорогами. Длина каналов проводящей сети должна быть минимальной. Каналы располагают по границам хозяйств или полей севооборотов с таким расчетом, чтобы они не расчленяли осушаемый массив на мелкие участки. Их проводят по наиболее низким отметкам осушаемой поверхности (по тальвегам), на болотах — по тальвегам минерального дна.

Расстояния между транспортирующими собирателями определяется рельефом местности, конструкцией регулирующей сети и др. На равнинных участках, где нет дорог или крупных каналов, транспортирующие собиратели прокладывают на одинаковом расстоянии друг от друга. Эти расстояния составляют 400-1200 м.

Расстояния между закрытыми коллекторами, определяются длиной впадающих в них дрен.

Глубину транспортирующих собирателей и закрытых коллекторов рассчитывают с учетом необходимости бесподпорного приема воды из элементов регулирующей сети. Глубина закрытого коллектора (Н_к) должна быть равна:

Н_к=H_д d,

где Н_д–глубина заложения устьев дрен; d–диаметр коллектора.

Таким образом, глубина элементов проводящей сети является функцией глубины регулирующих элементов данной осушительной системы.

Поперечное сечение открытых каналов проводящей сети – равнобокая трапеция (рис. 9.9,а). Такое сечение облегчает строительство канала и уход за его откосами. Глубокие (свыше 3 м) каналы, а также каналы, проходящие в неустойчивых и слоистых грунтах (мелкозернистый песок, сильноразложившийся торф), делают параболического сечения (рис. 9.9, в).

У каналов трапецеидального сечения минимальная ширина по дну — 0,4 м. Коэффициент заложения откосов принимают в зависимости от грунтов и глубины каналов.

Уклоны дна каналов принимают равными уклону поверхности. Они должны быть такими, чтобы, каналы не размывались и не заилились. Минимальный уклон дна в каналах — 0,0005, в крупных каналах допускается 0,0002. При значительных уклонах местности строят сопрягающие сооружения — перепады или быстротоки.

Для предохранения проводящих каналов от размыва крепят их откосы (реже дно). Наиболее распространенные виды крепления откосов: травяные или дерново-травяные ковры, пригрузка откосов крупнозернистым грунтом, прикрытие их стеклохолстом, пластмассой, плитами из пористого бетона, фильтрующими синтетическими тканями.

Крепление дна каналов выполняется в виде гравийно-щебеночной засыпки слоем 12-15 см.

Рис. 9.9. Сечения каналов открытой осушительной сети:

а — трапецеидальное; б — полигональное; в — параболическое; г — искусственная ложбина

Закрытую проводящую сеть – закрытые коллекторы строят из гончарных, пластмассовых, реже асбестоцементных и железобетонных труб. Правила трассирования коллекторов как для открытых проводящих каналов Длина коллекторов не превышает 600-800 м, уклоны 0,003-0,015.

Размеры открытых и закрытых элементов проводящей сети проверяют гидравлическим расчетом в устье; выше и ниже впадения канала; в створах, по которым определяется уклон.

Расчетные периоды и расходы устанавливают гидрологическими расчетами. По заданному расходу определяют размеры поперечного сечения канала.

Скорость движения воды (V) в канале должна удовлетворять неравенству:

V_min < V < V_mах

где минимально допустимая скорость (из условий заиления и зарастания) V_min=0,3-0,4 м/с.

Минимальные диаметры коллекторов из керамических труб 75…100 мм, из пластмассовых 75 мм. Диаметры бетонных и железобетонных труб 600…900 мм, пластмассовых – до 150 мм.

Ограждающая сетьв осушительной системе представлена нагорными и ловчими каналами, закрытыми дренами, а при намывном ТВП дамбами; иногда для ограждения территории целесообразно применять мероприятия, входящие в противоэрозионный комплекс.

Нагорные каналы предназначены для перехвата поверхностных вод, поступающих на осушаемую территорию; ловчие каналы (или дрены) — для перехвата грунтовых вод. Иногда эти функции совмещены в нагорно-ловчих каналах (рис. 9.10, 9.11).

Рис. 9.10. Перехват поверхностных вод нагорным каналом:

1 — нагорный канал; 2 — кавальер вынутого грунта; 3 — эродированный склон

Рис. 9.11. Схема расположения в плане нагорных каналов:

1 — сплошной нагорный канал; 2 — прерывистый нагорный канал; 3 — транспортирующие собиратели; 4 — магистральный канал; 5 — горизонтали

Каналы ограждающей сети устраивают вдоль верхней границы осушаемой территории. Длина их доходит иногда до 8-10 км. Глубина нагорных каналов не превышает 1-1,2 м, уклон не менее 0,0005.

Нагорно-ловчие каналы отличаются большей глубиной, которая должна быть достаточной для требуемого понижения уровня грунтовых вод в зоне действия канала. При крутых склонах, большом объеме поверхностного стока, напорном ТВП устраивают два параллельных канала: глубокий (ловчий) и мелкий (нагорный).

Ловчие каналы устраивают глубиной до 3 м. Если осушаемый объект — торфяник, то дно ловчего канала (или ловчая закрытая дрена) должно располагаться на 0,2-0,5 м ниже подошвы торфяника. Дно и откосы ловчих каналов необходимо крепить, особенно в местах сосредоточенного выклинивания грунтовых вод.

Ограждающей сетью на поймах служат дамбы, рассчитываемые на предохранение осушаемой территории от затопления паводковыми водами.

Для обеспечения нормальной работы осушительные системы оборудуют гидротехническими, дорожными, природоохранными и эксплуатационными сооружениями и устройствами.

Сооружения на открытых осушительных каналах, по назначению делят на пять групп:

1) регулирующие – предназначены для регулирования уровней и расходов воды в каналах; применяются на осушительно-увлажнительных системах и осушительных системах с предупредительным шлюзованием; к ним относятся различные шлюзы-регуляторы;

2) переездные – обеспечивают переезд через каналы и реки; к ним относятся мосты, трубчатые переезды и пешеходные мостики;

3) сопрягающие – предназначены для сопряжения на различных уровнях двух участков каналов (перепады и быстротоки);

4) природоохранные – применяют для охраны животного и растительного мира, рекреационных и других целей; к ним относятся водопои, отстойники, охранные зоны на водотоках и пр.;

5) эксплуатационные – обеспечивают контроль и управление водным режимом почвогрунтов на системе; к ним относятся: гидромелиоративные створы с наблюдательными скважинами, гидрометрические посты, водомеры, средства связи и управления.

Сооружения различного назначения следует по возможности совмещать (шлюзы-регуляторы с переездами, перепадами и пр.).

Русловые шлюзы на магистральных каналах проектируют в створах, имеющих наилучшие условия командования для подачи воды в осушительную и увлажнительную сеть. На осушительных системах с предупредительным шлюзованием русловые шлюзы создают подпор воды в каналах, расположенных выше шлюзов.

Устья применяют для сопряжения закрытых коллекторов с открытыми каналами; они включают в себя концевую часть дренажного коллектора длиной 1,5-2,0 м, усиленную обычно асбестоцементной трубой, и закрепленный участок откоса канала в месте выхода коллектора.

Во избежание подпоров воды и заиления дно дренажных коллекторов должно быть расположено выше дна канала не менее чем на 0,3-0,5 м и выше бытовых горизонтов воды — не менее чем на 0,1 м.

Колодцы на дренажной сети по назначению делят на пять типов:

1) соединительные – устраивают в узлах соединения нескольких коллекторов или в местах резких поворотов их в плане;

2) регуляторы – применяют на осушительно-увлажнительных системах для создания подпора воды в коллекторах с помощью задвижек; проектируют обычно в низовьях коллекторов;

3) поглотители – используют для приема поверхностных вод из замкнутых и бессточных понижений, а также из открытых нагорно-ловчих каналов и перевода их в закрытые коллекторы;

4) осадочные – применяют для осаждения взвешенных наносов из дренажных вод, проектируют в местах резкого уменьшения по течению уклонов коллекторов и скоростей движения воды в них;

5) перепады – устраивают на участках с большими уклонами поверхности земли для уменьшения уклонов коллекторов и сопряжения дренажных линий на различных уровнях.

По конструкции колодцы могут быть открытыми или закрытыми. Чаще проектируют открытые колодцы, крышка которых возвышается над землей не менее чем на 0,3 м; такие колодцы легко открывать и прочищать. В закрытых колодцах крышка заглубляется не менее чем на 0,7-0,8 м от поверхности земли с тем чтобы они не препятствовали глубокому рыхлению почвы. Эксплуатация таких колодцев сложнее, и они реже применяются. На участках, содержащих в почвенно-грунтовых водах закисное железо, во избежание окисления последнего и отложения охры, следует устраивать закрытые колодцы.

Дно колодца заглубляют на 0,4 м (ниже подключения дренажных коллекторов). Поэтому колодцы всех типов выполняют и функции отстойников.

Сооружения на открытых каналах и закрытых коллекторах размещают по возможности на прочном основании, при наличии слабого основания (плывунов, илов, торфов и сапропеля) предусматривают песчаные подушки или разгрузочные плиты.

Водоприемники на осушительных системах – это реки, озера, балки, реже моря, водохранилища или подземные хорошо проницаемые слои грунта, способные отвести избыточные воды с осушаемой территории.Основные требования к водоприемнику заключаются в следующем:

· уровни воды не должны создавать подпора и подтопления впадающих каналов;

· водоприемник должен иметь пропускную способность, обеспечивающую своевременный отвод избыточных вод с осушаемой территории в критические периоды;

· при пропуске паводков нельзя допускать отложения крупных пылеватых и песчаных наносов, для чего водоприемник должен иметь соответствующие скорости и уровни воды;

· водоприемник должен иметь устойчивое русло и прочные берега.

Основные причины неудовлетворительной работы рек-водоприемников: извилистость рек и связанное с этим уменьшение уклона, зарастание русла и засорение его наносами и другими предметами, недостаточные размеры русла, подпоры воды, создаваемые искусственными сооружениями, высокое расположение относительно осушаемой территории.

Если водоприемник не обеспечивает отвод вод с осушаемой территории, то его регулируют:

1) понижают уровень воды путем увеличения пропускной способности водоприемника, устройства сбросных сооружений;

2) регулируют паводковый режим, устраивая водохранилища, перераспределяющие сток во времени; выправляют русло.

В случае нецелесообразности регулирования водоприемника по технико-экономическим показателям применяют осушение с механическим водоподъемом.

Основные виды работ по регулированию водоприемника:

1. Спрямление русла — уменьшает его общую длину и шероховатость, увеличивает уклон и скорость течения, понижает уровень воды (рис. 9.12). Русло спрямляют на участках реки с недостаточным уклоном и скоростями течения, при которых оно зарастает и заиляется.

Рис. 9.12. Схема спрямления русла реки

2. Расчистка и углубление водоприемника — понижает уровни воды в реке и ликвидирует подпоры впадающей осушительной сети. Расчистка русла увеличивает его пропускную способность.

3. Выправительные работы — для придания руслу правильной формы, создания и поддержаниия одинаковой ширины его, что достигается выравниванием ширины русла устройством полузапруд или траверсов. Их сооружают под углом 110…120° по направлению течения воды. Длина определяется шириной русла, высота – отметкой летнего уровня воды в реке. Расстояния между полузапрудами обычно принимают в пределах трех-четырех их длин. Скорость течения воды между полузапрудами уменьшается, усиливается осаждение наносов. Ширина русла в таких местах уменьшается, скорости движения воды в реке выравниваются.

Проектирование продольного профиля рек-водоприемников ведут по уровням воды. Продольные уклоны определяют допустимыми скоростями движения воды на размыв.При выправительных работах уклон не менее 0,00015. Максимальные паводковые расходы рек определяют на основании материалов гидрометрических наблюдений или гидрологическими расчетами.

Реки.Основные источники орошения и обводнения – реки. Россия по количеству рек и суммарному их стоку занимает первое место в мире. Однако распределение речного стока на территории страны неравномерно. На районы, где наиболее развиты водопотребляющие отрасли народного хозяйства и проживает большая часть населения, приходится лишь 14% речного стока

В зависимости от условий формирования водного режима, рельефных условий водосбора реки делят на равнинные и горные.

Равнинные реки имеют малые уклоны и занимают более низкое положение по отношению к окружающей территории. Орошение из равнинной реки обычно производится с помощью насосных станций или устройства плотины. Воды равнинных рек пресные, содержат мало наносов, питаются за счет грунтовых вод и осадков. Наибольший расход проходит по ним весной в период таяния снегов, когда потребность в орошении незначительна. Использовать эти паводковые воды можно путем устройства водохранилищ, вода из которых в летнее время используется для орошения и обводнения.

Разновидность равнинных – степные реки. Источником питания для них служат в основном зимние атмосферные осадки. Максимальные расходы в степных реках наблюдаются весной, сокращаясь до нуля в летний период. Для использования их стока необходимо сооружать водохранилища.

Горные реки имеют большие уклоны, содержат значительное количество наносов (до 4 г/л), питаются за счет снегов и ледников, поэтому основной паводок на них бывает в самое жаркое время года – летом, что позволяет наиболее полно использовать их на орошение без строительства водохранилищ.

Местный сток — сток талых и ливневых вод временных водотоков или овражно-балочной сети. Это огромный резерв пресной воды, который можно использовать для орошения. Его собирают в прудах и водохранилищах, устраиваемых в глубоких балках (плотинами перегораживают малые реки, ручьи и т. д.). В Центральном Черноземье водами местного стока орошают около 400 тыс. га.

Улучшение водного режима земель лесостепных и стенных районов связано не только со строительством прудов и водоемов, но и с проведением агромелиоративных мероприятий по задержанию и использованию вод местного стока.

Подземные воды. Для их использования не надо строить водохранилища, обводнительные каналы и водоочистные сооружения, так как они не содержат примеси. Скважины для их забора можно закладывать непосредственно на территории орошаемого участка.

Подземные воды подразделяются на: верховодку, грунтовые, артезианские.

Верховодка – временный водоносный горизонт, образующийся на линзах и прослойках слабопроницаемых пород при просачивании атмосферных осадков, поверхностных и поливных вод.

Грунтовые воды залегают на первом от поверхности земли водонепроницаемом или слабопроницаемом водоупоре.

Артезианские воды залегают в водопроницаемых грунтах, заключенных между водонепроницаемыми слоями и находятся под напором. В артезианских скважинах уровень воды поднимается выше поверхности земли. Встречаются они чаще всего в предгорных районах и в пределах равнинных впадин. Обычно эти воды слабо минерализованы и имеют дебит 25-100 л/с и более.

Качество подземных вод оценивают по их физическим свойствам (температура, прозрачность, вкус, запах, цвет, электропроводимость, радиоактивность), химическому составу (минерализация, содержание ионов НСО₃, Cl, SО₄, Ca, Mg, Na, реакция воды рН, жесткость, агрессивность, наличие железа, газов, микрокомпонентов), содержанию органических веществ и по бактериологическому составу.

Для орошения пригодна вода с температурой не ниже 14 °С.

По минерализации подземные воды делят на пресные (до 1 г/л), слабоминерализованные (1-3 г/л), солоноватые (3-10 г/л), соленые (10-25 г/л), сильносоленые (25-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).

По своему химическому составу вода должна быть доступна для растений и не вызывать засоления и осолонцевания почвы. Химический состав определяют с помощью анализов. Пригодность воды для орошения оценивают по общей минерализации, содержанию натрия и соотношению его с кальцием и магнием.

При использовании для орошения солоноватых и соленых вод их следует разбавлять пресными водами и поливать только хорошо дренированные почвы, применяя промывной режим орошения.

Достоинстваиспользования подземных вод для орошения – получение воды на месте без строительства дорогостоящих водозаборных и проводящих сооружений. Однако не всегда подземные воды годятся для поливов из-за малого дебита и высокой минерализации. Для орошения пригодны воды с дебитом скважин не менее 15 л/с.

Типы водозабора для орошения зависят от характера подземных вод.

1. В предгорных районах грунтовые воды можно вывести на поверхность с помощью горизонтальных подземных галерей.

2. При залегании подземных вод на глубине до 40 м устраивают шахтные, а при большей глубине – трубчатые колодцы (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схемы шахтного (а) и трубчатого (б) колодцев:

1 – шахта; 2 – крепление шахты; 3 – водоносный слой; 4 – водоприемная часть; 5 – водоприемные отверстия; 6 – донный фильтр; 7 – оголовок; 8 – устье колодца; 9 – эксплуатационная колонна; 10 – фильтр (рабочая часть); 11 – отстойник; 12 – надфильтровая труба с сальником

Для получения больших расходов целесообразно сооружать вертикальные колодцы с горизонтальными фильтрами, лучевые и групповые водозаборы, дебит которых в несколько раз выше дебита отдельных скважин.

Регулирование источников

В отдельные периоды расходы на орошение могут превышать расходы в источнике. Для этого необходимо регулирование водохранилища или пруда. В зависимости от продолжительности накопления воды и последующего ее использования регулирование может быть суточным, недельным, сезонным (годичным), многолетним.

Суточное и недельное регулирование применяют чаще всего при использовании подземных вод, когда в ночное время воду накапливают в резервуарах или бассейнах, а днем используют.

Сезонное, или годичное, регулирование состоит в перераспределении стока в течение одного года. Для этой цели на реке создают водохранилище, в котором в период паводка сток полностью или частично задерживается, и используют его в поливной период. Сезонное регулирование применяют в том случае, когда годовое потребление воды меньше годового стока расчетной обеспеченности (70-97%).

Многолетнее регулирование стока применяют в тех случаях, когда потребление воды превышает сток расчетной обеспеченности. При этом воду в пруду запасают в многоводные годы, а используют в маловодные.

При сезонном регулировании стока объем пруда принимают равным 20-70%, а при многолетнем-120-170 % среднемноголетнего стока.

Пруд – водоем небольшого размера, вместимостью до 1 млн. м^3. Водохранилище – водоем вместимостью более 1 млн. м³.

Основные требования к месту расположения пруда или водохранилища:

· балка или русло небольшой реки, где намечают строительство, должны иметь достаточную глубину – по санитарным условиям не менее 5 м, а лучше 10…12 м. Мелкое водохранилище прогревается солнечными лучами и быстро зарастает болотной растительностью;

· берега балки или реки должны быть по возможности крутыми, чтобы накопившаяся вода не затапливала прилегающие земли, а в случае обвалования от затопления пойменных и других земель объем этих работ был незначительным. Уклон балки не должен выходить за пределы 0,005-0,01. Малые уклоны нехороши тем, что для создания необходимой глубины нужна высокая плотина, что может привести к подтоплению земель. При большой длине балки и выраженном уклоне устраивают каскад водохранилищ;

· пруд или водохранилище следует располагать ближе к территории орошаемого участка. Во избежание загрязнения его строят, как правило, выше населенного пункта;

· дно и откосы балки должны быть сложены мало водопроницаемыми грунтами: однородными суглинками толщиной не менее 1,5 м, подстилаемыми на глубине 3-4 м глинами или тяжелыми суглинками. Нельзя строить водохранилища на песках и трещиноватых породах (мел, известь, мергель, опока) без близкого и мощного водоупора. Если водопроницаемые породы имеют небольшую мощность и на глубине 2-3 м подстилаются водоупором, в теле плотины устраивают замок или шпунтовый ряд;

· балка или русло реки в целях создания пруда или водохранилища большего объема должны быть широкими, а место, где будет плотина,– узким и глубоким, чтобы на 1 м³ земляных работ получить больший объем задержанной воды. Считается экономически эффективным, когда на 1 м³ земляных работ по устройству плотины приходится 15-20 м³ воды. Объем водохранилища увеличивается, если балка имеет разветвления. Однако если в верховьях балки и ее боковых ответвлениях расположены действующие овраги, то во избежание быстрого заиливания водохранилища их можно включать в чашу водохранилища только после соответствующего закрепления;

· в створе плотины не должно быть действующих ключей и родников, так как они могут привести к разрушению ее тела, однако те же ключи и родники в ложе водохранилища (вдоль уреза воды) полезны, так как обеспечивают приток свежей воды. Для лучшего действия ключей и родников места их выклинивания не должны затапливаться большим слоем воды;

· створ плотины следует выбирать в таком месте, чтобы сбоку ее, в материковой части, проходила пологая балка – лощина или небольшой рукав реки, которые можно было бы использовать для устройства водосбросных сооружений. Если такие места обнаружить не удается, то водосбросный канал строят в обвод плотины, а грунт, вынимаемый при этом, идет в тело плотины.

Для защиты прудов и водохранилищ от чрезмерного испарения и заиления по берегам балки оставляют нераспаханную залуженную полосу шириной 20-30 м. Ее засаживают деревьями и кустарниками.

В лесостепной и степной зонах вдоль прудов и водохранилищ высаживают иву, тополь, дуб, березу, клен, ясень, вяз, липу, лиственницу, сосну и др.

Во избежание засорения воды падающими листьями и ветками расстояние от посадок до уреза воды принимают не менее 10 м.

С целью защиты от водной эрозии и более полного перехвата талых и ливневых вод по верхней границе лесной полосы устраивают нагорный канал. Он отводит воду в естественные ложбины или в специальные сооружения – ливнеспуски. Верховья балок также обсаживают деревьями.

Проектирование прудов

Проектирование пруда начинают с выбора створа будущей плотины. Балка должна иметь достаточный объем и глубину (5-8 м), створ намечают по возможности в сужении балки, берега и основание здесь должны быть сложены устойчивыми и маловодопроницаемыми грунтами, без ключей и пластового выклинивания грунтовых вод. Ложе будущего пруда также должно быть маловодопроницаемым, особенно опасны карстовые явления. Если в ложе будущего пруда залегает торф, его следует выработать во избежание возможного всплывания после затопления или присыпать минеральным грунтом. Кроме того, из зоны затопления удаляют деревья и кустарник, выравнивают поверхность.

Для выбранного замыкающего створа выполняют гидрологические расчеты, в результате которых находят, во-первых, объемы весеннего стока различной обеспеченности и, во-вторых, максимальные мгновенные расходы талой воды и дождевого паводка.

Водохозяйственными расчетами устанавливают характерные объемы и уровни воды, то есть высоты поверхности воды в пруду над условной горизонтальной плоскостью сравнения. Для этого сначала строят батиграфические кривые пруда – кривые зависимости площади пруда и его объема от глубины или высотных отметок, соответствующих различным уровням наполнения пруда.

Гидрологический расчет пруда.Объем стока, поступающего с водосборной площади (к створу плотины) должен обеспечивать суммарное водопотребление.

Водосборную площадь определяют планиметром пли обычным геометрическим путем по плану местности в горизонталях, где сооружают пруд (рис. 10.2).

Рис. 10.2. План водосборной площади пруда:

1 – водораздел; 2 – ось плотины

От оси плотины, намеченной на плане, проводят линию под прямым углом к горизонталям местности. Эта линия представляет собой водораздел, внутри нее и заключается водосборная площадь.

При проектировании прудов необходимо знать расчетный годовой сток. Гидрологический расчет прудов, предназначенных для орошения, проводят на сток 75 или 50% обеспеченности, в зависимости от потребности данного хозяйства в воде. Сток заданной Р% обеспеченности определяется по формуле

W_Р% ^вес=W^вес К_Р%, м³,

где W^вес — норма поверхностного стока, м³;

К_Р% — ордината кривой обеспеченности, %.

Определяется норма поверхностного весеннего стока

W^вес=1000 h F, м³,

где: h — норма слоя весеннего поверхностного тока, мм

F — площадь водосбора, км²

В табл. 10.1 приведены данные наблюдений за стоком талых вод по ручью Глубокий Воронежской области в створе балки Борщев Лог за 14 лет. Водосборная площадь 66 км².

Таблица 10.1 — Данные расчета обеспеченности стока

По данным таблицы 10.1 строим график (рис. 10.3).

Сток 50 % обеспеченности среднемноголетний. На рис. 10.3 он составляет 57 мм. Это значит, что на водосборе ручья Глубокий в течение 5 из 10 или 50 из 100 лет сток будет равен этому значению или больше и 50 % лет сток будет меньше.

Сток 75 % обеспеченности равен 34 мм, следовательно, 75 % лет (75 из 100 лет) сток будет равен 34 мм или больше, а 25 % лет сток будет меньше 34 мм.

При водосборной площади ручья Глубокий 66 км² и стоке 75 %-ной обеспеченности 34 мм объем стока W=1000·66·34= 2244 тыс. м³.

Рис. 10.3. Кривые обеспеченности стока ручья Глубокий

Водохозяйственный расчет.Проектируемый пруд должен удовлетворять расчетные потребности хозяйства в воде (орошение, водоснабжение, противопожарные цели и др.).

В результате строительства плотины возникает подпор, то есть подъем уровня воды по отношению к первоначальному (бытовому), и соответствующие подпорные уровни.

В пруду различают следующие характерные уровни и объемы (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Основные параметры плотины

Нормальный подпорный уровень (НПУ) — наивысший уровень воды, до которого может регулярно наполняться пруд и который можно поддерживать длительное время в нормальных условиях эксплуатации пруда. При назначении НПУ исходят из целесообразности обеспечения возможно большей емкости труда, но, с другой стороны, учитывают недопустимость или нежелательность затопления и подтопления (то есть повышения уровня грунтовых вод) жилых или других помещений, сооружений, сельскохозяйственных угодий, образования широкой зоны мелководья глубиной до 1-1.5 м. При НПУ в пруду размещается его полный объем.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) — максимальный расчетный уровень воды, который наблюдается в пруду в течение пропуска паводка. Объем воды, заключенный в пруду между ФПУ и НПУ, представляет призму форсировки, или сливную. Высота этой призмы для прудов обычно составляет 0,8-1,5 м.

Уровень мертвого объема (УМО) — предназначен для сохранения в зимний период прудовой флоры и фауны, а также для аккумуляции наносов, приносимых в пруд вместе с водой с водосбора: периодически по мере заполнения этого объема наносами (раз в 20-50 лет) воду из пруда спускают и очищают его от наносов.За исключением этих ремонтных периодов, ниже УМО воду не сбрасывают. Глубина мертвого объема может составлять 2-3 м, так чтобы мертвый объем не превышал четверти полного объема. В целях предупреждения заиления полезного объема в пруду оставляют мертвый объем воды, который не используют для хозяйственных нужд.

Полезный объем пруда, в свою очередь, складывается из объема полезной водоотдачи и объема воды, теряемой на испарение и фильтрацию.

Полный объем пруда на отметке НПУ при регулировании стока 75% обеспеченности равен

W_полн=W^вес_75% W_мо, м³

Отметка НПУ и площадь водного зеркала на этой отметке определяются по батиграфическим кривым пруда по плану балки (рис. 10.5). Планиметром измеряют площадь, ограниченную горизонталями, начиная с горизонтали 98.

Объемы чаши от горизонтали 97 до расчетной вычисляют последовательным суммированием объемов чаши пруда по отдельным слоям.

По батиграфическим кривым пруда и глубине стояния воды в водохранилище можно быстро определить объем воды и площадь водной поверхности.

Объемводы на фильтрацию и испарение определяются по формуле

W_потерь=h_потерь F_ср, м³

Объемводы для орошения определяют по зависимости

W_ор=W_нпу-(W_мо W_потерь W_вод),

где W_вод — забор воды на водоснабжения, м³.

Площадь, которую можно оросить этим количеством воды, может быть установлена следующим образом

F_ор=W_ор/М_бр, га,

где М_бр — средневзвешанная оросительная норма брутто (м³/га).

Типы и конструкции плотин

Для задержания вод местного стока чаще строят земляные (из местных грунтов практически всех видов) плотины. Они пригодны для любых геологических и климатических условий, просты по конструкции, надежны и долговечны. Все работы по возведению таких плотин можно полностью механизировать.

Земляные плотины, как правило, выполняют глухими, то есть вода через их гребень не переливается. Они могут быть насыпными и намывными. Насыпные плотины возводят послойно отсыпкой сухих грунтов с последующим уплотнением. Для намывных плотин грунт разрабатывают, транспортируют и укладывают средствами механизации.

Для снижения фильтрации через земляные плотины применяют различные противофильтрационные устройства (экран, ядро, диафрагма).

По конструкции поперечного профиля земляные плотины могут быть однородными и неоднородными (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Конструкции земляных плотин:

а – из однородного грунта с замком; б, в – с глиняным ядром и замком; г – с глиняным экраном; д– из однородного грунта со шпунтом; е– из однородного грунта с дренажной песчано-гравелистой отсыпкой; 1 – гребень плотины; 2 — супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – песчаный грунт; 6 – глиняный зуб; 7 – песчано-гравелистая отсыпка; 8 — замок; 9 – водоупорный слой; 10 — песок; 11 — шпунтовой ряд; 12 – ядро

Размеры поперечного профиля плотины (рис. 10.7) зависят от ее типа, высоты, характера грунтов основания, условий строительства и эксплуатации.

Гребень – самая высокая часть плотины. Ширину его определяют с учетом типа плотины, проезда транспорта и эксплуатационных требований. Если проезд по гребню не предусматривается, его ширина должна быть не менее 3 м; если по гребню будет проходить автомобильная дорога шириной 10-12 м.

Рис. 10.7. Элементы поперечного профиля земляной плотины:

1, 4 – верховой и низовой откосы; 2 – крепление откоса; 3 – гребень плотины; 5 – тело плотины; 6 – дренажная призма; 7–основание плотины; b–ширина плотины по гребню; В – ширина плотины понизу; Н – высота плотины; m₁, m₂ – коэффициенты заложения верхового и низового откосов

Высоту плотины выбирают с таким расчетом, чтобы через гребень не переливалась вода. Поэтому превышение гребня плотины над ФПУ определяют с учетом высоты наката волны на откос и ветрового нагона. Это превышение обычно составляет I-1,5 м.

В процессе эксплуатации возможна осадка плотины в результате уплотнения грунтов в ее теле и основании. Поэтому строительную высоту плотины принимают больше проектной на значение предполагаемой усадки (обычно на 5-10 %).

Откосы плотины должны обеспечивать устойчивость сооружения и его основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации плотины. Заложение верхового откоса назначают для суглинков 1:2,5-1:3, супесей 1:3-1:3,5, песков 1:3,5-1,4; низового – соответственно 1:1,5-1:2, 1:2-1:2,5 и 1:2,5-1,3.

В целях предохранения верхового откоса от разрушения применяют различные виды его крепления – каменную наброску, бетонные монолитные и железобетонные плиты, асфальтобетонные покрытия, биологическое крепление (высаживают древесные и кустарниковые породы). Наиболее дешевое и надежное крепление – биологическое.

Древесные насаждения (обычно ива кустарниковая и древовидная) высаживают на откосе весной, после пропуска весеннего паводка, по урезу воды (НПУ). Хорошо развитые кустарники обеспечивают полное гашение волн у поверхности откоса, и даже в ветреную погоду вода у откосов плотины находится в спокойном состоянии. Поэтому смыва и разрушения грунта на откосе с биологическим креплением не бывает. Корневая система, пронизывая грунт на глубину около 30 см, придает плотине большую прочность и долговечность.

В некоторых случаях целесообразно устройство пологих волноустойчивых верховых откосов. В специальном креплении они не нуждаются.

Низовые откосы для предохранения от разрушения засевают многолетними травами или обкладывают дерном.

Принимают и отводят фильтрационные воды в плотинах дре-нажи из проницаемых материалов (песок, каменная наброска) или труб, защищенных от заиления фильтрующими материалами.

Для снижения фильтрации под основанием плотины устраивают замок (как правило, из глины) шириной понизу 1-1,5 м с откосами 1:0,5 или 1:1. Его врезают в водоупорный слой на глубину 3 м. Если водоупорный слой залегает глубже 3 м, тообычно сверху (на глубину 2-3 м) создают замок, а ниже, до водоупорного слоя (в глубь него на 0,5 м) забивают шпунтовую стенку.

Фильтрацию через тело плотины уменьшают экраном из мятой глины или полиэтиленовой пленки. Экран укладывают вдоль мокрого откоса на глубине 0,7-0,8 м и покрывают слоем крупнозернистого песка 0,7-0,8 м. Гребень его должен быть на 0,3-0,8 м выше отметки ФПУ и на 1-1,2 м ниже отметки гребня плотины. Толщину экрана сверху принимают 0,8 м, снизу – до 2 м.

Отсыпка земляных плотин

На местности разбивают и закрепляют ось плотины, относительно оси намечают контуры плотины, замка и гребня. Одновременно отмечают контуры водосбросного сооружения и карьеров, откуда будут забирать грунт для отсыпки.

На всей площади будущего основания плотины вырубают кустарники и деревья, удаляют пни и камни, снимают растительный слой на глубину 0,25-0,35 м и вывозятза пределы низового откоса. Грунт основания рыхлят для лучшего сопряжения с отсыпаемым грунтом.

Перед заполнением ложе водохранилища также очищают от камней, древесной растительности. Для предотвращения зарастания берегов и создания устойчивых откосов мелкие места водохранилища углубляют.

Оптимальная влажность грунта, отсыпаемого в тело плотины: супесчаного 9-14 %, суглинистого 12-20 %, глинистого 20-28 % массы абсолютно сухой почвы. Сухой грунт смачивают при отсыпке.

Отсыпку плотины начинают с пониженных мест и выполняют по всей площади горизонтальными слоями не более 0,25 м. Каждый слой разравнивают и уплотняют машинами, подводящими грунт, кулачковыми или гладкими катками. Степень уплотнения проверяют плотномером.

Тело плотины с берегами балки сопрягают по наклонным плоскостям с короткими уступами.

Общий объем земляной плотины определяют по отдельным отрезкам. Для этого вычисляют среднюю площадь сечения отрезка Fсp (м²) и умножают на его длину L (м).

Объем земляных работ находят и по упрощенной формуле

Vзp = 0,25(b B) H L, м³,

где Н – строительная высота плотины, м;

L – длина гребня плотины, м;

b, B – ширина плотины поверху и в основании, м.

Водопропускные сооружения это водосбросы и водоспуски.

Водосбросы предотвращают переполнение водохранилища и разрушение тела плотины в период паводков и ливней. Их рассчитывают на пропуск максимального мгновенного паводкового расхода расчетной обеспеченности (вероятности превышения). Расчетную обеспеченность максимальных расходов устанавливают в зависимости от класса сооружений по нормативным документам. Плотины прудов, задерживающих местный сток в большинстве случаев относятся к IV классу, и расчетную обеспеченность максимальных расходов воды для них принимают равной 1 %.

Водосбросы могут быть автоматическими и управляемыми. При подъеме воды в пруду выше НПУ автоматический водосброс включается в работу. В управляемых водосбросах для поддерживания уровня воды в водохранилище на отметке НПУ головную часть оснащают затворами, которые открывают для пропуска паводковых вод.

На прудах, задерживающих местный сток, наиболее распространены автоматические водосбросы (рис. 10.8), поскольку они более просты в эксплуатации.

Рис. 10.8. Схема автоматического трубчатого водосброса:

а–продольный разрез по оси водосброса; б–план; 1–входной огоюпок-2 – железобетонные трубы; 3 – диафрагма; 4 – железобетонная плита на сваях; 5 – плотина; 6 – отводящий канал

По конструктивным особенностям водосбросы делятся на открытые (открытые каналы, быстротоки, перепады) и закрытые (из железобетонных труб).

Водоспуски необходимы для осуществления полезных пропусков из пруда или водохранилища в целях орошения, водоснабжения, частичного или полного опорожнения и др. Их устраивают из металлических, железобетонных и асбестоцементных труб. При заборе воды на полезные нужды трубы укладывают на отметке УМО. Для опорожнения пруда или водохранилища устанавливают донные водоспуски (трубы укладывают на самых низких отметках дна балки). Часто их используют и для подачи воды на орошение.

Наиболее простой водоспуск (рис. 10.9) выполняют в виде напорной трубы в основании плотины, оснащая его задвижкой.

К выходному концу трубы могут быть присоединены всасывающие трубопроводы насосной станции. Входное отверстие трубы оборудуют сорозадерживающей решеткой. Для уменьшения фильтрации по поверхности контакта трубы с грунтом по длине водоспуска устанавливают диафрагмы. На выходной части во избежание размыва грунта устраивают водобойный колодец.

Рис. 10.9. Схема донного водоспуска:

1 – напорная труба; 2 – диафрагма; 3 – задвижка; 4 – водобойный колодец; 5 – отводящий канал

Эксплуатацию прудов и водохранилищ подразделяют на техническую эксплуатацию плотины и ее сооружений и эксплуатацию водоема. Мероприятия по технической эксплуатации включают:

· подготовку плотины и водосливных сооружений к пропуску весенних талых и ливневых вод;

· проведение режимных наблюдений и регулирование уровней, а следовательно, и объемов воды в водохранилище согласно гидрологическим и хозяйственным прогнозам и потребностям;

· аварийный, профилактический, текущий и капитальный ремонты плотины и сооружений.

Перед пропуском паводковых вод должны быть проведены следующие работы:

· выявлен прогноз ожидаемого паводка и возможные сроки его прохождения в данном водном бассейне;

· подготовлены мешки с землей, хворост, пиломатериалы, колья, пластыри, карьеры и резервы земли (на случай подсыпки гребня, мокрого и сухого откосов при опасности их разрушения, а также насыпки бермы при вспучивании сухого откоса), запас взрывчатки (для ликвидации заторов льда у входных отверстий водосливных сооружений), рабочий инвентарь;

· с осени и рано весной, пока водохранилище не заполнено водой, тщательно отремонтированы откосы плотин и их покрытия, заделаны швы между железобетонными и бетонными плитами, продольные и поперечные трещины в теле плотины, оправлена и восстановлена каменная отмостка, проверены состояние гребня, работа фильтра, щитовых и подъемных устройств водосливных сооружений, исправлены дефекты в понуре, флютбете и рисберме, отремонтированы водоочистные колодцы гидротехнических сооружений и др. Во избежание разрушения сухого откоса ливневыми дождями систематически скашивают травостой, восстанавливают кюветы, сбросные каналы и лотки;

· организовано круглосуточное дежурство, создана бригада по пропуску паводковых вод, выделено необходимое число самосвалов, скреперов, бульдозеров и экскаваторов, установлена бесперебойная телефонная связь с водохозяйственными и другими районными и областными организациями.

Режимные наблюдения за уровнями и объемами воды в водохранилище позволяют: подавать воду на орошение и водоснабжение ферм в соответствии с графиками потребления воды; выявлять резервы воды для проведения осенних влагозарядковых поливов; изменять регулирующую вместимость водохранилища с учетом гидрологических прогнозов, а при опасности паводка сбрасывать излишки воды.

В период эксплуатации следует выполнять и профилактический ремонт. Он заключается в проведении защитных мероприятий, исключающих появления тех или иных деформаций в сооружениях.

Текущий ремонт осуществляют каждый год по заранее составленному графику. Он включает замену отдельных частей сооружений в связи с износом материала, а также ликвидацию дефектов, обнаруженных после сдачи объекта в эксплуатацию.

Капитальный ремонт выполняют строительные организации при необходимости устранения серьезных и крупных повреждений, реконструкции узла сооружений, вызванной изменением проектных размеров или коренной перестройкой плотины.

К хозяйственным эксплуатационным мероприятиям относятся:

· залужение и восстановление травостоя в защитной полосе вдоль водохранилища; ‘

· очистка нагорных каналов и ремонт водосливных сооружений;

· уход за древесными и кустарниковыми насаждениями вдоль водохранилища и в верховьях впадающих балок, а также устройство запруд в местах, опасных в противоэрозионном отношении;

· сгребание и сжигание листьев и другого опада древесных насаждений во избежание засорения водохранилища;

· установление мест скотопрогона и подготовка специальных площадок для водопоя скота. Во избежание загрязнения водохранилища площадки для водопоя скота устраивают ниже плотины, в местах водовыпускных сооружений;

· предохранение водохранилища, особенно мелких мест, от зарастания и восстановление разрушенных откосов. Для борьбы с зарастанием используют механические и биологические средства (разведение травоядной рыбы, толстолобика и амура);

· зарыбление водохранилища ценными породами рыбы (карп, лещ, линь и др.). При разведении рыбы пускают по 400-500 годовиков (сеголеток) на 1 га поверхности воды;

· разведение водоплавающей птицы. При разведении гусей вдоль водохранилища оставляют залуженные места;

· оборудование помоста и подъездных путей для забора воды или места для насосной установки с подводящим трубопроводом в случае использования водохранилища для тушения пожара.