Сооружения на осушительных системах

 

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

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

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

2) переездные, или дорожные, - 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, к ним относятся перепады и быстротоки;

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

5) эксплуатационные - обеспечивающие 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 (например, 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; их располагают на таких расстояниях L, чтобы разница гори­зонтов воды A·h в нижнем и верхнем бьефах шлюзов не превышала 40...60 см:

(2.36)

где i - уклон канала.

На осушительно-увлажнительных системах шлюзы-регулято­ры предназначены в основном для создания командования над нижерасположенной территорией; их проектируют в местах подачи воды в увлажнительные каналы, на расстоянии 5...8 км.

На боковых каналах шлюзы-регуляторы необходимо распола­гать из расчета создания в каналах горизонтов (30...60 см от бровки), обеспечивающих подачу воды в корнеобитаемый слой почвы. При этом на транспортирующих собирателях и открытых коллекторах проектируют, как правило, по два шлюза-регуля­тора - один в устье для создания подпора воды, другой - водо-выпуск в верховье канала. При наличии большого уклона канала может быть предусмотрено и промежуточное подпорное соору­жение.

Подпорные шлюзы на крупных магистральных каналах устраи­вают открытыми, индивидуальной конструкции с клапанными, сегментными или другими затворами. Отверстия этих сооружений двух-, трех- или многоочковые. На небольших каналах применяют типовые одно- или двухочковые шлюзы-регуляторы из сборных железобетонных труб диаметром 80... 150 см с плоскими метал­лическими затворами (рис. 2.23).

Рис. 2.23 - Шлюз-регулятор с переездом на осушительном канале:

1 - сборная железобетонная труба; 2 - коробчатый затвор; 3 - плиты крепления; 4 - гравийная или щебеночная отсыпка; 5 - щебеночная подготовка

 

Для переезда через реки-водоприемники и крупные осушитель­ные каналы (с расходами более 10 м³/с) строят мосты, на не­больших каналах - трубчатые переезды. В зонах населенных пунктов и отдыха людей на каналах устраивают пешеходные мостики.

Крупные гидротехнические сооружения проектируют незатопляемыми, и их отверстия рассчитывают на максимальные павод­ковые расходы обеспеченностью 1... 10% (в зависимости от клас­са сооружений). Небольшие шлюзы-регуляторы на магистраль­ных каналах и боковой сети, расположенные на пойменных зем­лях, могут затапливаться во время половодий; их отверстия рас­считывают на расходы, соответствующее пропускной способности канала.

На закрытых дренажных системах устраивают устьевые со­оружения и колодцы (рис. 2.24).

Рис. 2.24 - Сооружения на дренажной сети:

а - колодец-регулятор открытый; б - колодец-поглотитель; в - колодец соединитель­ный потайной; г - дренажное устье; 1 - сборные железобетонные блоки колодца; 2 - асбестоцементная труба l = 200 см; 3 - гончарные трубы; 4 - регулятор уровня; 5 - водоприемные решетки; 6 - оголовок устья; 7 - плиты крепления; 8 - засыпка выну­тым грунтом; 9 - гравийная засыпка

 

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 закислое железо, во избежание окисления последнего и отложения охры, следует устраивать закрытые колодцы.

Дно колодца заглубляют примерно на 0,4 м жиже подключе­ния дренажных коллекторов, чтобы здесь оседали и накаплива­лись взвешенные наносы. 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.

Увлажнение осушаемых земель

Вследствие несоответствия между количеством поступающей в почву влаги и суммарным недопотреблением, а также из-за неравномерности выпадения осадков на осушаемых землях Укра­ины и Белоруссии наблюдаются засушливые (25...30%), сред­ние (40...50%) и влажные (25...30%) годы. Засушливые ве­гетационные периоды повторяются через каждые 1-4 го­да и бывают по 2-4 года подряд. В такие засушливые вегетационные периоды без осадков бывает по 40... 50 дней в зоне Полесья (Ровно) и до 60... 90 дней в зоне Лесостепи (Ки­ев). В случае среднесуточного испарения 4...5 мм в такие пе­риоды наблюдается дефицит почвенной влаги до 150... 200 мм, причем уровни грунтовых вод понижаются до 1,5... 1,8 м. Чрез­мерное понижение уровней грунтовых вод и дефицит почвенной влаги приводят к снижению урожаев сельскохозяйственных куль­тур: для влаголюбивых культур и на песчаных грунтах на 50...60%; для менее влаголюбивых на тяжелых по механическому составу поч­вах до 20%. Недостаток влаги наблюдается для большинства вла­голюбивых культур и в более северных районах (страны Прибалтики и Нечерноземная зона России).

Потребность в увлажнении усиливается также и потому, что торфяные и песчаные грунты имеют небольшую (до 50...70 см) высоту капиллярного поднятия воды и малые запасы продуктив­ной влаги. На торфяных почвах, например, в засушливые пе­риоды уже при залегании уровня грунтовых вод на глубине 100 см в корнеобитаемом слое (0...30 см) наблюдается пересы­хание.

Поэтому современные мелиоративные системы следует проек­тировать по возможности с двухсторонним регулированием вод­ного режима почвогрунтов, обеспечивающим как отвод избыточ­ных вод во влажные периоды, так и увлажнение почв в засушли­вые. Осушительно-увлажнительные системы на болотных масси­вах необходимы и для борьбы с пожарами. Опыт двухстороннего регулирования водного режима почв в условиях Украины, Белоруссии, Прибалтики, Нечерноземной зо­ны России, а также ряда зарубежных стран свидетельствует, что увлажнение в засушливые периоды обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур в среднем на 15...60%.

Дополнительные капитальные вложения на строительство ув­лажнительных систем повышаются (по сравнению только с осу­шительными системами) примерно на 200...300 - при подпоч­венном увлажнении и на 500...1500 $/га - при дождевании.

Применение осушительно-увлажнительных систем эффективно в случае выращивания овощных и технических культур (срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составляет 2-4 года) и на культурных пастбищах (срок окупаемости 5-7 лет). Для зерновых культур срок окупаемости достигает 15-25 лет и увлажнение себя не оправ­дывает, так как нормативный срок окупаемости порядка 10 лет.

В настоящее время осушительно-увлажнительные системы построены в СНГ на площади 1,9 млн. га, в том числе на Укра­ине на 1 млн. га. В перспективе на Украине осушительно-увлаж­нительные системы могут быть построены на 16% всех земель, требующих осушения.

Способы увлажнения осушаемых земель по характеру поступления воды в корнеобитаемый слой почвы: подпоч­венное увлажнение; дождевание; поверхностное орошение.

При подпочвенном увлажнении вода поступает в почвогрунты путем фильтрации из открытых каналов или закрытых дрен, в которых создаются подпоры воды с помощью шлюзов или ко­лодцев-регуляторов (рис.2.25).

Рис. 2.25 - Схемы подпочвенного увлажнения: а - при фильтрации воды из каналов; б - при закрытых дренах; 1 - поверхность почвы; 2 - канал; 3 - дрена; 4 - депрессионная поверхность грунтовых вод; 5 - капиллярное подпитывание почвы от грунтовых вод

 

Этот способ увлажнения часто называют шлюзованием.

Подпочвенное увлажнение можно осуществлять путем дли­тельного (в течение всего засушливого периода) подпора уров­ней грунтовых вод или циклических подпоров и сбросов уровней грунтовых вод.

При длительном подпоре уровни грунтовых вод нужно под­держивать на глубине 50...60 см от поверхности, чтобы капил­лярное подпитывание в корнеобитаемый слой от грунтовых вод компенсировало потери воды на испарение. Но такие глубины стояния грунтовых вод меньше норм осушения и, следовательно, корнеобитаемый слой почвы будет несколько переувлажнен. По­этому длительные подпоры применяют ограниченно.

Наиболее эффективным является циклическое увлажнение, при котором обеспечивается кратковременное почти полное насыще­ние корнеобитаемого слоя почвы за счет подъема уровня грун­товых вод до глубины 40...50 см от поверхности земли и ка­пиллярного увлажнения верхнего слоя. После этого вода из ка­налов и дрен сбрасывается, и уровень грунтовых вод понижается до требуемых норм.

Подпочвенное увлажнение применяют на участках со спокой­ным микрорельефом и небольшими уклонами местности (i 0,005), а также при наличии достаточно водопроницаемых почвогрунтов (с коэффициентом фильтрации k 0,5 м/сут). Наиболее эффек­тивно подпочвенное увлажнение на пойменных землях с неглубо­ким залеганием уровня грунтовых вод и при наличии интенсив­ного грунтового питания. Однако при подпочвенном увлажнении наблюдается неравномерность и неоперативность увлажнения: вблизи каналов и на пониженных участках грунты увлажняются лучше, а в верховьях каналов и дрен, а также на повышенных участках - хуже. Система подпочвенного увлажнения обладает большой инерционностью.

Вблизи каналов зона увлажнения распространяется обычно на 30... 50 м в обе стороны. Поэтому увлажнение из открытых каналов можно применять при небольших расстояниях между ними (до 100... 150 м). Такое увлажнение эффективно на узких пойменных участках, а также на маломощных торфяниках, под­стилаемых хорошо проницаемыми песками.

В большинстве случаев эффективное подпочвенное увлажне­ние может быть обеспечено с помощью закрытого гончарного, пластмассового или кротового дренажа. В кротовые дрены вода при увлажнении поступает из открытых каналов и движется по ним от устья к истоку против уклона. При этом кротовые дрены могут располагаться по продольной и поперечной схемам. Попе­речную схему чаще применяют при больших уклонах поверхно­сти (i = 0,005...0,03), а продольную - при малых (i 0,005) (рис. 2.26).

При увлажнении гончарным или пластмассовым дренажем можно использовать такие же схемы, как и для кротового. Но эффективнее система, в которой вода подается в верховья дрен через вспомогательные увлажнительные коллекторы (рис. 2.27 и 2.28).

При этом в устьевой части осушительных коллекторов и верховье увлажнительных проектируют колодцы с регулятора­ми уровня ручного или автоматизированного действия.

Рис. 2.26 - Схемы увлажнения по кротовым дре­нам:

а - поперечная; б - продольная; 1 - магистральный канал; 2 - транспортирующие собиратели; 3 - откры­тые коллекторы; 4 – кротовые дрены; 5 - нагорно-ловчие каналы; 6 - шлюзы-регуляторы

Рис. 2.27 - Схема планово-вертикальной увязки эле­ментов сети с подпочвенным увлажнением: 1 - осушительный канал; 2 - увлажнительный канал; 3 - осушительный коллектор; 4 - увлажнительный кол­лектор; 5, 6 - регулирующие колодцы; 7 - регулятор уровня грунтовых вод; 8 - устьевое сооружение; 9 - регулирующие дрены

 

При та­кой схеме обеспечиваются примерно одинаковые напоры воды и, следовательно, более равномерное увлажнение как в верховье, так и в устьевой части дренажной системы. Дренажные линии здесь почти не будут заиливаться, так как и в режиме осушения и в режиме увлажнения вода движется по уклону дрен и кол­лекторов.

Для эффективного проведения подпочвенного увлажнения требуются определенные напоры воды в дренажных линиях: при подаче воды через устья дренажных коллекторов против их ук­лона - 0,7...1,0 м, при подаче воды в верховье дрен - 0,5... 0,7 м.

 

Рис. 2.28 - Схема работы осушительно-увлажнительной сети:

а - при осушении; б - при увлажнении; 1 - увлажнитель­ный канал; 2 - осушительный канал; 3 - увлажнительный коллектор; 4 - осушительный коллектор;

5 - регулирующий колодец на увлажнительном коллекторе; 6 - регулирую­щий колодец на осушительном коллекторе; 7 - регулятор уровня; 8 – дрены-увлаж-ни­тели; 9 - мусорозадерживающая решетка

 

В системах подпочвенного увлажнения большинство осуши­тельных элементов (каналов, дрен) используют также для ув­лажнения, дополнительно проектируют только шлюзы, отдельные увлажнительные каналы, коллекторы и водохранилища. Такие системы более экономичны, их называют системами совмещен­ного типа. Общая схема такой системы показана на рис. 2.2. На такой системе в верховье магистрального канала проектируют шлюз, из верхнего бьефа которого вода самотеком или с механи­ческим подъемом подается в нагорно-ловчие каналы, командую­щие над осушаемой территорией. Из нагорно-ловчих каналов во­да самотеком распределяется шлюзами по транспортирующим собирателям и открытым коллекторам, откуда под напором по­ступает в закрытые дрены. В такой схеме открытые коллекторы доводятся в верховье до следующих транспортирующих собирателей. При этом шлюзы-регуляторы проектируют в верховьях и устьях открытых каналов.

Наиболее совершенный способ увлажнения сельскохозяйствен­ных культур - дождевание. При дождевании вода в виде мел­ких капель разбрызгивается над поверхностью земли с помощью дождевальных машин «Фрегат», «Волжанка», КИ-50 и других, увлажняя воздух, растения и верхний слой почвы, благодаря чему снижаются температура воздуха и испарение влаги расте­ниями и почвой. Дождевание применимо на всех типах почв и при наличии развитого микрорельефа, но в первую очередь там, где нельзя использовать подпочвенное увлажнение. Дождева­ние очень эффективно на торфяных грунтах, у которых пересы­хает в основном верхний (0...30 см) корнеобитаемый слой, и на культурных пастбищах.

Вода в дождевальные машины может подаваться из напорных трубопроводов, но чаще забирается из открытых осушительных каналов и рек водоприемников с помощью стационарных или передвижных насосных установок (рис. 2.29 и 2.30).

Рис. 2.29 - Осушительно-увлажнительная система машинами «Фрегат»:

1 - магистральный канал; 2 - шлюз-регулятор; 3 - насосная станция; 4 - напорные трубопроводы; 5 - машина «Фрегат»; 6 - дренажные коллекторы; 7 - дрены

 

Рис. 2.30 - Осушительно-увлажнительная система с применением ДКШ-64 «Волжанка»: 1 - река-водоприемник; 2 - дренажный коллектор; 3 - дрены-осушители; 4 - насосная станция; 5 - закрытый оросительный трубопровод с гидрантами; 6 - дождевальное крыло

 

При этом осушительная сеть, как правило, выполняется закрытой. Такие осушительно-увлажнительные системы требуют больших капита­ловложений.

Из поверхностных способов орошения на осушаемых землях может быть применен только полив затоплением.

Этот способ увлажнения заключается в кратковременном (до 2...3 сут.) по­крытии поверхности земли слоем воды, быстром насыщении почвогрунтов и последующем сбросе излишней воды. Такое затоп­ление выдерживают только многолетние травы после укосов. Поэтому увлажнение затоплением можно применять на поймен­ных хорошо спланированных землях при использовании их толь­ко под многолетние травы. Если территория не спланирована, то после затопления вода будет застаиваться в понижениях.

Увлажнение затоплением применяют в Польше и ряде стран Западной Европы. В СНГ такой способ увлажнения не получил распространения.