Загальна характеристика осушувальної системи

Осушувальна система — це гідромеліоративна система для осушування земель.

Гідромеліоративна система – це комплекс технологічно пов’язаних між собою гідротехнічних споруд та технічних засобів для здійснення водної меліорації у межах визначеної території

Гідромеліоративні системи поділяються на такі типи.

1. За характером дії на водний режим ґрунту: а) осушувальні системи односторонньої дії, що забезпечують тільки відведення над­лишкової вологи із кореневмісного шару ґрунту; б) осушувальні системи з попереджувальним шлюзуванням, що забезпечують відведення надлишкової вологи і часткове затримання власного стоку води в каналах для уповільнення або припинення зниження рівня ґрунтових вод; в) осушувально-зволожувальні системи двосторонньої дії, що забезпечують створення і підтримання протягом всього вегетаційного періоду у кореневмісному шарі оптимального водного режиму шляхом своєчасного відведення з нього надлишкової вологи і подачі у посушливі періоди вегетації води, необхідної для зволоження цього шару.

2. За способом відведення надлишкових вод з осушуваної території у водоприймач: а) самопливні, коли вода, яку збирають осушувальною мережею, скидається у водоприймач самопливом; б) з машинним водопідйомом, коли з осушувальної мережі у водоприймач вода перекачується насосами; в) змішані, коли у періоди паводків вода перекачується насосами, а в інший час скидається самопливом.

3. За конструкцією: а) відкриті системи, в яких вся осушувальна мережа виконується у вигляді відкритих каналів; б) закриті системи, в яких вся осушувальна мережа виконується закрититою; в) комбіновані системи, в яких осушувальна мережа є як закритою, так і відкритою.

4. За розміщенням осушувальної мережі на місцевості: а) гори­зонтальні; б) вертикальні.

Сучасні меліоративні системи за характером дії на водний режим ґрунтів проектуються, як правило, осушувально-зволожувальними двосторонньої дії, за конструкцією — комбінованими.

На Україні при осушенні річкових заплав та територій, що прилягають до водосховищ і озер, в останні роки все частіше проектують польдерні осушувальні системи з машинним або змішаним способами відведення надлишкових вод.

До складу меліоративних систем на осушуваних землях входять такі основні елементи.

1. Водоприймач (ріка, озеро та ін.) —призначений для прийому води з осушуваної території.

2. Осушувальна мережа, яка за призначенням поділяється на регулюючу, огород жуючу та провідну.

Регулююча осушувальна мережа (відкритий осушувач та збирачі, горизонтальні і вертикальні дрени та ін.) призначена для відведення з кореневмісного шару надлишкових вод і підтримання у ньому оптимального водно-повітряного режиму.

Огороджуюча осушувальна мережа (нагірні та ловильні канали, ловильні горизонтальні і вертикальні дрени та ін.) призначена для захисту осушуваної території від припливу надлишкових поверхневих і ґрунтових вод зі сторони.

Провідна осушувальна мережа (магістральні канали, відкриті і закриті колектори та ін.) збирає надлишкову воду з регулюючої і огороджуючої мереж і доставляє її за межі осушуваної території у водоприймач.

 

Рис. 2.6. Схема осушувально-зволожувальної системи на заплавних торф’яних землях

 

1 – річка-водоприймач; 2 – магістральний канал; 3 – транспортуючі збірники; 4 – відкриті колектори; 5 – нагірно-ловильні канали; 6 – зволожувальний канал; 7 – кротові дрени; 8 – шлюзи-регулятори; 9 – захисна дамба; 10 – випускний шлюз; 11 – насосна станція; 12 – водосховище

 

3. Зволожувальна або зрошувальна мережа (зрошувальні канали і трубопроводи та ін.), яка забезпечує подачу води у кореневмісний шар ґрунту у посушливі періоди. Зрошувальна мережа може обладнуватись дощувальними машинами.

4. Гідротехнічні споруди на осушувальній та зволожувальній мережі (шлюзи, перепади, бистротоки, насосні станції, колодязі та ін.) призначені для керування потоком води у каналах і трубопроводах

5. Водосховища - проектуються для регулювання стоку і забезпечення зволоження осушуваних земель.

6. Дамби обвалування - забезпечують захист осушуваних земель від затоплення з боку водосховищ, озер або річок-водоприймачів.

7. Дорожня мережа (дороги, мости, переїзди та ін.) - служить для проїзду транспорту і сільськогосподарських машин по осушувальній системі.

8. Природоохоронні споруди і пристрої - застосовуються для охорони ґрунтового покриву, тваринного і рослинного світу, рекреаційного та інших видів не сільськогосподарського використання земель; включають: лісові смуги, охоронні зони, пляжі, підживлювальні і скидні канали для водоймищ, пішохідні містки, мости-переходи для диких тварин та ін.

9. Експлуатаційні споруди і пристрої (спостережні свердловини, гідрометричні пости, будівлі, засоби зв'язку, телемеханіки і автоматики та ін.) - забезпечують контроль і керування водним режимом ґрунтів, а також підтримання меліоративної системи у справному стані.

Осушувальна система може включати всі перелічені елементи або тільки деякі з них за потребою.

Конструкція меліоративної системи повинна передбачати її удосконалення у майбутньому.

Типові схеми меліоративних систем зображені на рис. 2.6 і 2.7.

 

Рис. 2.7. Схема закритої дренажної системи

 

а – план системи; б – розріз по дренажному колектору; 1 – колектор І порядку; 2 – колектор ІІ порядку; 3 – дрена; 4 – відкритий канал-водоприймач; 5 – гирло; 6 – колодязь з’єднувальний; 7 – колодязь-поглинач; 8 – колодязь-регулятор; 9 – колодязь-відстійник; 10 – колодязь-перепад

Регулююча мережа

Регулююча мережа призначена для відведення із ґрунтів надлишкової вологи і підтримання в них необхідного водно-повітряного режиму.

Регулююча мережа за принципом дії поділяється на дренажну, що забезпечує своєчасне зниження рівня ґрунтових вод до норми осушення, і збиральну, яка забезпечує відведення надлишкових поверхневих вод і вод з орного горизонту у задані строки.

Мережа для пониження рівня ґрунтових вод проектується на порівняно водопроникних ґрунтах (з коефіцієнтом фільтрації у верхньому метровому шарі понад 0,5 м/доб); мережа для прискорення поверхневого стоку використовується при осушенні важких за механічним складом ґрунтів. Ці види мереж відповідають двом основним методам осушення.

За конструкцією регулююча мережа виконується відкритою (канали) або закритою (закритий дренаж).

За розміщенням на місцевості мережа може бути систематичною при осушенні всієї території або вибірковою для осушення окремих ділянок.

За способом улаштування поділяються на траншейні і без траншейні. За матеріалом з якого виготовлено дренаж: матеріальна і нематеріальна.

Переваги і недоліки відкритої і закритої регулюючої осушувальної мережі. Відкриті регулюючі канали прості за конструкцією і дешеві у будівництві. Але вони мають ряд значних недоліків: 1) разом з смугами відчуження займають значну частину осушуваної площі (до 15...20 %), у зв'язку з чим знижується коефіцієнт земельного використання - КЗВ; 2) ускладнюють роботу сільськогосподарських машин і знижують їх продуктивність (оскільки відстані між каналами до 100 м); 3) при осушенні відкритими каналами потрібно багато споруд - шлюзів-регуляторів і переїздів; 4) канали є розсадниками бур'янів; 5) значні експлуатаційні витрати на обслуговування.

Тому використання відкритої мережі у наш час обмежене.

При влаштуванні закритої осушувальної мережі не буде втрат площ і підвищується КЗВ, немає перепон щодо механізації сільськогосподарських робіт, спрощується і здешевлюється експлуатація системи, полегшується внутрішньогосподарське землевпорядкування, скорочується кількість споруд на відкритих каналах.

До недоліків закритої мережі належать: 1) повільне відведення поверхневих вод; 2) висока вартість будівництва.

Незважаючи на ці недоліки закритий дренаж є основним способом осушення сільськогосподарських угідь.

Зниження рівнів ґрунтових вод у водопроникних ґрунтах відбувається за рахунок створення за допомогою штучних дрен або каналів різниці тиску, в результаті якої відбувається відтік води з ґрунту. Ґрунтові води рухаються у бік дрен по лініях течії, розміщених перпендикулярно до лінії однакового тиску (рис. 2.8).

Швидкість руху ґрунтових вод, м/с, визначається за формулою Дарсі—Дюпюї

 

, (2.6)

 

де — коефіцієнт фільтрації, м/с; і — градієнт напору ґрунтових вод, який визначається як ; — спад напору за довжиною .

Питомий приплив на одиницю довжини дрени або каналу з одного боку , м²/с, визначається за формулою: при інфільтраційному живленні (рис. 2.9 а).

 

(2.7)

при ґрунтовому живленні (рис. 3.4,б)

 

(2.8)

 

де — напір між дренами; — напір над дренами, м; — напіввідстань між дренами, м; — коефіцієнт висячості або збільшення припливу.

 

Рис.2.8. Схема руху грунтових вод до дренажного пристрою

 

1- крива депресії; 2 - лінії токів; 3 - лінії однакового тиску

 

 

Рис. 2.9. Схема до розрахунку притоку води до дрен

 

а - при інфільтраційному живленні; б - при грунтовому живленні

 

Для довершених дрен, що лежать на водоупорі, коли . Для недовершених дрен, коли водоупор міститься нижче дрен, коефіцієнт висячості можна визначити за формулою В. С. Козлова:

 

(2.9)

Де - потужність водопроникного шару, м; при великій потужності водопроникних ґрунтів рекомендується приймати = 4...6 м; Т - глибина закладання дрен, м; - зовнішній радіус дрен, м.

Глибина закладання регулювальних дрен повинна бути більшою необхідного зниження рівня ґрунтових вод (норми осушення) внаслідок спаду депресійної кривої від міждрення до дрен (рис. 2.10). При цьому наближенню необхідна глибина закладання дрен , м, визначається за залежністю Т, де - норма осушення на посівний період, для сільськогосподарських культур ранньої весняної сівби приймається 0,45...0,6 м; - спад депресійної кривої від міждрення до дрен, що залежить від інтенсивності відведення дренажних вод і відстані між дренами, на кінець передпосівного критичного періоду, становить у середньому 0,3...0,5 м.

 

Рис. 2.10. Схема до розрахунку глибини закладання дрен і відстані між ними

 

1 – рівень ґрунтових вод на початку розрахункового періоду; 2 – те саме в кінці розрахункового періоду; 3 – поверхня землі; 4 – водоупор; 5 – дрена

 

Глибина закладання матеріальних дрен, крім того, повинна бути більше глибини промерзання ґрунтів у даній місцевості, інакше дрени будуть закупорюватись льодом, тривалий час не будуть працювати і швидше зруйнуються.

У торф'яних ґрунтах глибину закладання дрен збільшують на величину осідання і спрацювання торфу.

Оптимальну глибину закладання гончарних і пластмасових дрен у польових сівозмінах на мінеральних ґрунтах і в торфовищах після їх осідання приймаються 1,0...1,2 м, у садах - 1,2...1,4 м. Середня глибина закладання кротових дрен у торф'яних ґрунтах 0,8... 1,0 м. Мінімальна глибина закладання кротових дрен - 0,6...0,7 м (при меншій глибині кротові дрени будуть протискуватись машинами, що проходять по поверхні); для гончарних і пластмасових дрен при пересіченні ними окремих мікропонижень мінімальну глибину приймають 0,8 м. Для запобігання нерівномірності осушення максимальна глибина закладання дрен не повинна перевищувати середню більше як на 0,3...0,4 м.

Відстань між дренами встановлюється розрахунком і коректується дослідними даними існуючих осушувальних систем, побудованих в аналогічних умовах, та рекомендаціями науково-дослідних організацій.

Відстань між дренами залежить від: 1) водно-фізичних властивостей ґрунтів і в першу чергу від коефіцієнта фільтрації і коефіцієнта водовіддачі ; 2) глибини закладання дрен ; 3) норми осушення ; 4) розрахункового часу , за який необхідно забезпечити зниження рівня ґрунтових вод на ; 5) від кліматичних факторів і, в першу чергу, від опадів та випаровування е; 6) від місцевих умов - похилів поверхні землі, місця розташування дренажу на схилі та ін.

Відстань між довершеними дренами (які прорізають весь водопроникний шар ґрунтів і лежать на водоупорі) визначають за формулами:

 

О. М. Костякова

 

; (2.10)

А. М. Янголя

 

; (2.11)

 

Й. Роте

(2.12)

 

де - відстань між довершеними дренами, м; - коефіцієнт фільтрації водопроникного шару грунтів, м/добу; - розрахунковий час зниження рівня ґрунтових вод посередині між дренами від до , приймається для умов України 10...15 діб; и - глибина стояння рівня ґрунтових вод на початку розрахункового передпосівного періоду, становить 0...0,1 м, - необхідна глибина стояння рівня ґрунтових вод (норма осушення) посередині між дренами на кінець передпосівного періоду, приймається 0,45... 0,6 м; - середня глибина закладання дрен, м; - напір води на початку розрахункового періоду, ; - напір наприкінці розрахункового періоду, ; - середній за розрахунковий період напір між дренами, м; - коефіцієнт, що враховує кривизну депресійної поверхні, у розрахунках приймають звичайно 1,0; - коефіцієнт водовіддачі ґрунту; - опади за розрахунковий період, м; - випаровування за розрахунковий період, м; - середній за розрахунковий період приплив води до дрен, м/добу.

Середній за розрахунковий період напір визначається:

 

(2.13)

 

Середній за розрахунковий період приплив до дрен, м/добу, мож­на визначити так , де - кількість води, яка підлягає відведенню дренажем за розрахунковий період ; виражається шаром води, м, і визначається за формулою:

 

, (2.14)

 

де - шар води, що залишається на поверхні землі до початку розрахункового періоду; звичайно до початку передпосівного періоду відводяться майже всі поверхневі води, але частила їх може затримуватись у мікро пониженнях, тому рекомендується приймати = 0,01…0,02 м; - кількість ґрунтових вод, що відводяться, при пониженні рівня ґрунтових вод від u до .

Коефіцієнт питомої (об'ємної) водовіддачі ґрунту визначається дослідним шляхом або обчислюється за формулами:

для торф'яних ґрунтів - за формулою О. І. Івицького:

 

, (2.15)

 

для мінеральних грунтів - за формулою Г. Д. Еркіна:

 

(2.16)

 

У цих формулах позначення попередні.

При великій потужності водопроникних ґрунтів дрени проектують недовершеними (дрени не доводяться до слабко водопроникної основи), і відстань між ними визначається за формулою:

 

, (2.17)

 

де - відстань між довершеними дренами; - коефіцієнт висячості, що визначається за формулою В. С. Козлова.

Якщо дренаж закладається у неоднорідних за водопроникністю ґрунтах, то відстань між дренами можна визначити за наведеними вище формулами з підстановкою в них середньозваженого значення коефіцієнта фільтрації для шарів, в яких відбувається рух ґрунтових вод.

Формули для визначення відстані між дренами добре описують загальні закономірності зниження рівнів ґрунтових вод, але не враховують всього різноманіття місцевих умов - характер і інтенсивність водного живлення на різних елементах рельєфу, шпаруватість та структуру ґрунтів, розміщення дрен у плані відносно напряму похилу поверхні землі та ін. Тому при встановленні відстані між регулюючими дренами слід враховувати також місцеві рекомендації та дослідні дані. Наприклад, відстань між закритими дренами часто визначають залежно від механічного складу грантів. У табл. 2.4 наведені оптимальні відстані між гончарними дренами на мінеральних надлишково зволожених землях України залежно від вмісту в них часточок діаметром менше 0,05 мм. Рекомендуються такі орієнтовні відстані між дренами: у дрібнозернистих пісках - 30...50 м і більше, супісках - 25...35 м, легких суглинках - 20...30 м, середніх суглинках та глинах - 8...15 м, у низинних торфах - 20... 40 м.

Таблиця 2.4