Технические средства рассоления.

Дренажные и оросительные системы следует рассматривать как единый комплекс, направленный на коренное улучшение и сохранение оптимального водно-солевого режима. Основное назначение дренажа - создание условий для пониже­ния уровня грунтовых вод, устойчивого опреснения засоленных земель путем проведения промывок и поддержания водно-соле­вого режима почвогрунтов, исключающего реставрацию засоления в период эксплуатации оросительной системы.

Дренаж на орошаемых землях - это комплекс гидротехниче­ских сооружений (дрен, коллекторов, насосных станций), пред­назначенных для сбора и отвода почвенных и грунтовых вод.

Типы дренажа. При мелиорации засоленных земель на ороси­тельных системах применяют горизонтальный, вертикальный и комбинированный дренаж.

Горизонтальный дренаж может быть открытый и закрытый.

Открытый дренаж состоит из глубоких каналов, проходящих в выемках, а закрытый - из труб, проложенных на определенной глубине, которые принимают почвенные и грунтовые воды и тран­спортируют их с помощью коллекторов в водоприемники.

В зависимости от назначения и расположения дрен на орошае­мой территории дренаж бывает систематический, выборочный, ловчий и береговой. Систематический дренаж представляет собой систему открытых или закрытых горизонтальных дрен, располо­женных равномерно по орошаемой площади. Выборочный дре­наж - это система дрен, предназначенных для дренирования отдельных, в основном пониженных, орошаемых участков. Ловчий головной дренаж перехватывает и отводит поверхностный и грун­товый поток, поступающий на орошаемую территорию. Береговой дренаж предназначен для перехвата подземного потока со сто­роны реки или водохранилища с целью предупреждения подтоп­ления орошаемой территории.

При опреде­лении глубины закладки дрен закрытого горизонтального дренажа исходят из условия, что уровни грунтовых вод в середине междренья в течение вегетационного периода должны находиться на глубине не меньше критической (рис. 2.63).

Закрытые дрены делают из гончарных труб длиной 33 см и диаметром 50...150 мм, керамических длиной 70 см, асбесто-цементных безнапорных длиной 4м, бетонных и железобетонных безнапорных труб, а также труб из различных полимеров - по­лиэтилена, полихлорвинила, поливинилхлорида.

В гончарные, керамические и бетонные трубы длиной до 70 см вода поступает через зазоры в стыках. При длине труб >70 см устраивают дополнительную перфорацию в виде щелей или круг­лых отверстий, суммарная площадь которых составляет 0,5% по­верхности трубы. Ширина щелей 3... 7 мм, а диаметр отверстий 5... 10 мм. Наибольшее распространение получили гончарные, керамические и асбестоцементные трубы.

Пластмассовые трубы выпускают гладкостенные и гофриро­ванные диаметром 50...100 мм и длиной 5...300 м с перфора­цией в виде продольных щелей или круглых отверстий. В послед­ние годы начали применять гибкие витые дренажные трубы из жесткого поливинилхлорида диаметром 100 мм.

 

Рис. 2.63 - Схема понижения уровня грунтовых вод горизонтальным дрена­жом: 1,2 - уровень грунтовых вод соответствен­но до и после строительства дренажа; 3 - горизонтальные дрены; - глубина заложения дренажа; - критическая глубина залегания грунтовых вод; - остаточная глубина залегания грунтовых вод; - глубина наполнения дрены

 

На рис. 2.64 приведены гибкие витые дренажные трубы из поливинилхлорида. Вода в полость такой трубы поступает через спиральные зазоры между смеж­ными витками полосы.

 

Рис. 2.64 - Витая дренажная труба

 

Минимальные уклоны открытых дрен принимают 0,0005, а за­крытых -

- 0,001... 0,002. Стыки трубок обсыпают щебнем, гра­вием или песчано-гравийными смесями, создавая фильтр. В каче­стве дренажных фильтров применяют также маты из стекловаты и базальтового волокна, стеклохолст, техническую марлю и стеклосетку.

Основной параметр при расчете дрен – расстояние между дренами.

Для расчета расстояний между дренами в однородных грунтах исполь­зуют уравнение С. Ф. Аверьянова (рис. 2.65, а)

(2.68)

где L - расстояние между дренами, м; - коэффициент фильт­рации, м/сут;

H - остаточная глубина залегания грунтовых вод в середине междренья, м;

Т - расстояние от горизонта воды в дрене до водоупора, м; q - интенсивность инфильтрации, м/сут; α - коэффициент висячести дрены

 

При глубине закладки дрен 3 м и глубоком залегании водо­упора (20...30м) расстояние между дренами находится в пре­делах от 200 м (для тяжелых грунтов) до 500...600 м (для лег­ких грунтов).

При определении расстояния между дренами, заложенными в слоистых грунтах можно исполь­зовать формулу В. М. Шестакова (рис. 2.65, б)

(2.69)

где L - расстояние между дренами, м; - расчетная длина зоны деформации несовершенного дренажа, м; Т - суммарная проводимость водоносного пласта у дрены, м²/сут; - расчетная величина инфильтрационного бугра, м; W - интенсивность инфильтрации, м/сут.

 

В случае, когда дрены заложены в однородных грунтах, под­стилаемых напорным пластом (рис. 2.65, в), расстояние между дренами определяют по формуле С. Ф. Аверьянова

(2.70)

(2.71)

где В - расстояние между дренами, м; Т - глубина залегания водоносного пласта, считая от горизонта воды в дренах, м; - напор в водоносном пласте над горизонтом воды в дренах, м; - превышение поверхности грунтовых вод между дренами над вер­хом дрены, м; - интенсивность инфильтрационного питания, м/сут; - коэффициент фильтрации грунта, в котором заложен дренаж, м/сут.

Рис. 2.65 - Расчетные схемы для определения расстояний между дренами:

а - однородные грунты; б - слоистые грунты; в - однород­ные грунты, подстилаемые напор­ным пластом; 1 - уровень грун­товых вод; 2 - дрена; 3- поверхность водоупора

 

Гидравлический расчет коллекторно-дренажной сети проводят на пропуск нормального и максимального расходов.

Расчетные расходы дрен и коллектора их диаметры и скорости движения воды определяют гидравлическим расчетом по формуле равномерного движения воды при безнапорном режиме на про­пуск нормального расхода при полном наполнении дрены. Расход (Q) дрены и коллектора нормальный или максимальный:

Q = qω_др (2.72)

где q: q_СР или q_M - или среднее или максимальное значение модуля дренажного стока, соответственно, за вегетационный период, л/с с 1 га; - площадь, обслуживаемая дреной, га.

Модуль дренажного стока принимают следующим: для сугли­нистых грунтов - 0,24...0,45 л/с с 1 га; песчаных - 0,28...0,7 л/с с 1 га. Скорость движения воды в дренах принимается в пределах 0,3...1,2 м/с.

Гидравлический расчет трубчатых дрен и коллекторов при полном их наполнении производят по формулам

;
(2.73)

 

(2.74)

где Q - расход дрены или коллектора, м³/с; d - внутренний диаметр, м;

v - скорость движения воды, м/с; i - гидравличе­ский уклон; с - коэффициент Шези, принимаемый в зависимости от диаметра и коэффициента шероховатости дрен и коллекторов.

Скорость движения воды в трубчатых дренах и коллекторах принимают в пределах 0,15...1 м/с. Гидравлический расчет открытых коллекторов заключается в определении ширины по дну, заложения откосов, глубины напол­нения, уклона, скорости движения воды. На основании гидрав­лического расчета строят продольные профили дрен и коллек­торов.

Особенности применения вертикального дренажа при рассолении почв.

Вертикальный дренаж применяют в том случае, когда под верхней толщей почвогрунтов, характеризующихся небольшим значением коэффициента фильтрации, залегают породы с большой водопроницаемостью. Вертикальный дренаж предназначен для откачки и отвода подземных вод буровыми скважинами-колодцами диаметром 30...70 см, глубиной 20...150 м, закрепленными обсадными трубами с отверстиями для поступления воды (рис. 2.66). Вслед­ствие откачки воды насосами уровень грунтовых вод понижается, образуя воронку диаметром 2 R. Вертикальный дренаж по сравнению с горизонтальным имеет ряд преимуществ: возможно глубокое понижение уровня грунто­вых вод, потери полезной площади незначительные, дренажные воды можно использовать для орошения. Основные недостатки: потребность в электроэнергии, насосно-силовом оборудовании, зна­чительные эксплуатационные расходы.

Рис. 2.66 - Схема пониже­ния уровня грунтовых вод вертикальным дренажем:

1 и 2 - уровень грунтовых вод до и после откачки; 3 - скважины; R - радиус действия скважины

 

Поэтому вид дренажа (горизонтальный или вертикальный) определяют на основании технико-экономического сравнения раз­личных вариантов. Различают систематический, выборочный, ловчий и береговой вертикальный дренажи.

При систематическом дренаже скважины размещают сравнительно равномерно по всей дренируемой пло­щади, учитывая границы севооборота, удобство отвода или ис­пользования откачиваемых вод. При выборочном дренаже сква­жины размещают на неблагоприятных по природным условиям участках орошения.

Ловчий дренаж в виде одного или нескольких рядов скважин, расположенных по фронту грунтового потока, применяют для перехвата грунтовых вод.

Береговой вертикальный дренаж также представляет собой ряд скважин, размещенных вдоль реки или водохранилища, пред­назначенных для защиты орошаемой территории от подтопления.

По конструктивным особенностям различают: вертикальный дренаж, состоящий из самоизливающихся скважин; дренаж из скважин, оборудованных насосами для откачки подземных вод; дренаж из лучевых горизонтальных дрен, проложенных в хорошо проницаемых грунтах и объединенных одной вертикальной скважиной с водоподъемным оборудованием.

В зависимости от конкретных гидрогеологических и почвенно-мелиора-тивных условий массива можно выделить три случая при­менения вертикального дренажа: 1) использование на орошение пресных напорных подземных вод с одновременным рассолением земель (рис. 2.67, а); 2) предотвращение подъема минерализован­ных грунтовых вод на землях нового орошения (рис. 2.67, б); 3) замена минерализованных грунтовых вод пресными фильтра­ционными (рис. 2.67, в).

Рис. 2.67 - Принципиальные схемы применения вер­тикального дренажа

(по Н. М. Решеткиной): а — использование на орошение пресных напорных под­земных вод с одновременным рассолением земель; б — предотвращение подъема минерализованных грунтовых вод; в — замены минерализованных грунтовых вод пресными фильтрационными

 

При сильном засолении земель и слабой водопроницаемости почвогрунтов вертикальный дренаж применяют в сочетании с мелким открытым временным дренажем на период проведения капитальных промывок. Обычно одна скважина вертикального дренажа обслуживает 50...100 га, а дебит ее колеблется в пределах 30...200 л/с. Конструктивно скважина состоит из: водоприемной части, обо­рудованной фильтром; обсадной колонны, по которой транспор­тируется дренажная вода; насосно-силового оборудования. Выбор конструкции фильтра зависит от гранулометрического состава и мощности водоносного пласта, химического состава воды, дебита скважины, хозяйственного значения скважин, вели­чины водозабора.

Наиболее простую конструкцию фильтра - перфорированную трубу со щелевыми или круглыми отверстиями и редко обмотан­ной сеткой применяют в гравелисто-песчаных грунтах и крупно­обломочных породах. В мелкозернистых грунтах, кроме перфорированной трубы, не­обходимы искусственные фильтры: гравийная засыпка, блочные пористые фильтры и др. Длина фильтра должна быть на 2...5 м меньше мощности дренируемого пласта и может достигать 40...45 м.

При строительстве скважин применяют цельнотянутые сталь­ные трубы. Скважины вертикального дренажа оборудуют установками с артезианскими и погружными насосами, реже эрлифтами. Насосные установки вертикального дренажа оснащают конт­рольно-измерительной аппаратурой, позволяющей замерять и фик­сировать количество воды, поданное насосной установкой; коли­чество электроэнергии, затраченное на подачу воды; уровень грунтовых вод и пьезометрического напора.

Особенности комбинированных дренажей при рассолении почв.

Комбинированный дренаж — это сочетание горизонтальных дрен с вертикальными разгрузочными скважинами. Устраивается в том случае, когда верхний слабопроницаемый слой мощностью до 15 м подстилается и подпитывается водоносным напорным го­ризонтом мощностью 10... 15 м с хорошей водопроницаемостью. Горизонтальные дрены обеспечивают понижение уровня грунто­вых вод и отводят за пределы дренированной территории воду из скважин-усилителей (рис.2.68).

Рис. 2.68 - Схема комбинированного дренажа:

1 - канал-дрена; 2 - скважина; 3 - водоприемная часть скважины; 4 - водоносный слой с напорными водами; 5 - депрессионная кривая

 

Наличие скважин-усилителей увеличивает расстояние между горизонтальными дренами до 250...350 м. Расстояние между скважинами принимают в пределах 50... 150 м и закрепляют их металлическими, асбестоцементными или пластмассовыми трубами. Для усиления действия комбинирован­ного дренажа может быть использовано вакуумирование.

Особенности вакуумных дренажей при рассолении почв.

В районах речных долин, представляющих собой двухслойный пласт с верхним слоем суглинков небольшой мощности, применение глубоких горизонтальных или вертикаль­ных дренажей становится неэкономичным или технически трудно-выполнимым. В этом случае целесообразно сооружать вакуумный дренаж.

По принципу действия вакуумные дренажные системы подраз­деляют на системы вакуумирования грунтов и системы вакуум­ного водоотбора.

Горизонтальный вакуумный дренаж устраивают так, как обыч­ные системы горизонтального дренажа. Разница состоит в том, что сеть не имеет смотровых колодцев, а оборудована вакуумны­ми колодцами, в которых создается разрежение вакуумным насо­сом (рис. 2.69). Дрены применяют асбестоцементные, пластмас­совые и пористые. Стыки между трубами перекрываются муфта­ми. Перфорацию на трубах выполняют только в их нижней части.

Вертикальный вакуумный дре­наж представляет собой систему скважин или трубчатых колодцев объединенных коллектором, из которого раздельно откачивают воду и воздух.

Рис. 2.69 - Схема горизонтального вакуумного дре­нажа: 1 - горизонтальные дрены; 2 - вакуумный насос; 3 - вакуумный колодец; 4 - всасывающая труба; 5 - цент­робежный насос

 

Основное достоинство вакуум­ного дренажа - увеличение ин­тенсивности отвода грунтовых вод с мелиорируемых территорий и ускорение процесса промывки засоленных почв.

Двухъярусный дренаж

Для повышения эффективности действия промывки, достижения равномерного рассоления почв устраивают двухъярусный дренаж. Верхний ярус укладывают бестраншейным способом из пластмассовых труб на глу­бине 1,5...2 м, а нижним ярусом является постоянный закрытый дренаж, рассчитанный на нагрузку эксплуатационного периода. Нижний ярус интенсифицирует процесс промывки, выравнивает нисходящие скорости промывных токов и обеспечивает равномер­ное опреснение почвогрунтов. Дренаж верхнего яруса можно использовать в качестве за­крытых оросителей в вегетационный период. Вода из оросителей идет на подпитывание зоны аэрации и частично на создание дре­нажного стока из дрен нижнего яруса. Опыт строительства двухъярусного дренажа накоплен в Узбе­кистане.

Мобильный дренаж

При промывке соли, находящиеся в почвогрунтах, обычно вы­мываются на большую глубину, а затем постепенно отводятся дренажем за пределы системы. Более эффективен такой дренаж, который мог бы перехватить солевой поток сверху во время про­мывки и сразу же отвести его за пределы участка.

Такую задачу можно решить при помощи так называемого мобильного дренажа, разработанного в ТуркменНИИГиМ. За ос­нову его конструкции принята вакуумная система вертикальных дрен.

Комплект мобильного дренажа состоит из металлического со­бирателя, вертикальных дрен и самовысасывающего насоса. Все соединения делают быстроразъемными. Монтируется на подготов­ленном к промывке участке. Заполнив чеки водой, через специ­альный клапан заполняют и собиратель. Включенный насос создает в трубопроводах вакуум, и начи­нается отвод минерализованных вод с промывного участка. После завершения промывных поливов система мобильного дренажа демонтируется и перевозится на новый участок.