Состояние, проблемы и перспективы развития дренажных систем

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ

В ближайшие десятилетия мелиорация будет играть важную роль в обеспечении продовольственной безопасности и улучшении качества жизни. В то время как сохранение природных систем, особенно учитывая перспективы глобального роста населения, должно стать доминирующим фактором в природопользовании. Наряду с ограничениями, вызванными лимитированностью земельных и водных ресурсов, потребуется увеличение производительности сельскохозяйственных земель за счет улучшения качественных показателей оросительных и дренажных систем.

In the coming decades, Reclamation will play an important role in ensuring food safety and quality of life. While the preservation of natural systems, especially given the prospects of global population growth, should become the dominant factor in wildlife management. Along with the constraints imposed by the limitation of land and water resources will increase the productivity of agricultural lands due to improvement of quality indicators of irrigation and drainage systems.

Дренаж играет, и будет играть важную роль в сохранении нынешнего уровня производства продуктов питания. Без дренажа, большая часть орошаемых территорий будет деградировать в заболоченные или засоленные земли. В целях достижения устойчивого производства на длительном промежутке времени, системы осушения должны быть спроектированы с учетом возможного изменения условий эксплуатации. При проектировании должны учитываться факторы охраны окружающей среды, экономическо-финансовой оценки, изменение климатической ситуации в регионе.

Наличие полных гидроклиматических данных на объекте строительства мелиоративной системы является необходимым условием для рационального планирования, проектирования и эксплуатации. Существующие рекомендации по проектированию эффективны при сохранении стабильности гидроклиматической ситуации в регионе. Но из-за неустойчивости климата и локальных аномалий природных условий они могут утратить свою актуальность. Таким образом, необходим пересмотр принципов проектирования с целью получения большей устойчивости к изменяющимся условиям эксплуатации дренажных систем.

Необходимо отметить важность эффективности природообустройства. «Реальное состояние экономики и благосостояние населения необходимо оценивать по величине экологически адаптированного чистого внутреннего продукта, который равен ВВП минус потери от снижения общей ценности природных систем и ухудшения здоровья населения в результате истощения природных ресурсов и разрушения экосистем» [1].

Учитывая требования современности, наиболее перспективным будет использование экономико-экологического метода определения параметров мелиоративных систем и ее элементов.

Хорошо известна потребность сельского хозяйства в дренажных системах. Территории избыточного увлажнения в нашей стране занимают значительные площади. Дренажные системы, которые созданы для регулирования уровня грунтовых вод, должны надежно выполнять свою функцию на протяжении длительного времени, но они постепенно теряют свою эффективность и могут стать причиной ускорения эрозивных процессов.

Земляные ресурсы и климат Средней полосы России оказывают ограничения на сельское хозяйство. Прохладный климат и избыточное увлажнение ограничивает продолжительность вегетационного периода. В соответствии с настоящими условиями, избыток влаги в почве быстро накапливается в весенний период во время снеготаяния. Эти условия задерживают посадку культур, мешают уборке урожая и способствуют деградации почв. Искусственный дренаж снижает уровень грунтовых вод обеспечивает необходимые условия для развития корневой системы растений Контроль потока грунтовых вод является основным при разработке систем природообустройства. Одним из методов управления потоками воды в почве является использование дренажных систем. Основная цель дренажа заключается в обеспечении стабильности уровня грунтовых вод, увеличивая диссипацию (лат. dissipatio — рассеяние) пор содержащих газ.

Осушительная система может эффективно функционировать лишь при организации надлежащей ее эксплуатации. Осушение сельскохозяйственных земель не должно быть ориентировано на быстрое удаление больших количеств воды. Быстрое удаление избытка влаги негативным образом влияет на стабильность осушаемой природной системы. Слишком активное действие дренажа ведет к потерям запасов влаги, наличие которой снижает риск засухи. При этом повышаются экологические риски, связанные с распространением загрязняющих веществ вместе с дренажным стоком.

Для сельскохозяйственных нужд, дренаж должен выполнять функцию контроля уровня грунтовых вод, а не функцию водоотведения, при этом избегая параметра «избыток влаги», который трудно поддается количественной оценке.

Параметр «избытка влаги», принимается на основе гидрологических данных, и не основан на требованиях землепользования. Часто его принимают слишком высоким, что приводит к чрезмерному увеличению стоимости системы осушения.

Помимо контроля уровня грунтовых вод дренаж может выполнять функции контроля количества растворимых веществ, таких как солей, кислот, щелочей. Удаление этих веществ должно происходить медленно и постепенно, насколько это возможно.

Большинство исследований дренажа, направлены на развитие технологий и разработку рекомендаций по проектированию осушительных систем, а также исследования эффективности орошения. Относительно мало внимания уделяли эрозии почвы и вымыванию растворенных солей. При этом редко уделяется внимание дальнейшего воздействия отводимых из дренажных систем вод на окружающую среду.

Цель устройства сельскохозяйственного дренажа заключается в эффективном сохранении земель и повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Повторное использование дренажных вод, может быть решением для эффективного использования водных ресурсов и для сокращения негативного эффекта на экологию от ведения сельского хозяйства. При этом засорение фильтрующих элементов дренажных труб является основной проблемой.

мелиорация природопользование оросительный дренажный.

Рис. 1. Оценка динамики численности мирового населения

Увеличение численности населения планеты приводит к увеличению спроса на продукты питания и вследствие этого на два важных ресурса, плодородные земли и воду.

Многие рекомендации по проектированию систем осушения отодвигают на второй план процессы, происходящие в придренной области. Основной проблемой, которая часто встречается, минеральное засорение дренажных труб и обмотки. Движение частиц почвы на границе раздела двух сред может вызвать различные физические явления, а именно, вымыванием мелких частиц почвы, эрозию почвы.

Когда дренажные системы перестают выполнять свою функцию, при потере достаточной интенсивности осушения, необходимы специальные мероприятия. В лучшем случае промывка осушительной системы, в худшем капитальный ремонт либо реконструкция. Процессы же химико-физической эрозии могут быть необратимы и приводят к постепенному снижению плодородия осушаемых земель.

При правильном взаимодействии частиц почвы в придренной области возможно образование естественного фильтра, который сильно увеличивает срок жизни дренажной системы. Таким образом, имеем актуальность разработки руководящих принципов проектирования дренажных систем с учетом процессов, происходящих в придренной области.

Работа по изучению действия дренажных систем в основном заключается в исследовании принимающего пористого материала образующего трубу или расположенного вокруг трубы. Обмотка — пористый материал расположенный вокруг трубы, предназначен для защиты от заиления дренажных труб и для улучшения ее гидравлических показателей.

В начале исследований при выборе дизайна обмотки, критериями служило способность к фильтрации. Слово «фильтры» часто ошибочно употребляется по отношению к обмоткам. Фильтр по определению «пористое вещество, задерживающее прохождение некоторых частиц». Фильтрация также определяется как «удаление некоторого вещества из массы воды путем прохождения через слой пористого материала». Таким образом, фильтры, используемые в качестве обмотки, в конечном итоге засоряются, потому, что твердые частицы будут задерживаться в них, снижая их проницаемость.

Обмотка выполняет задачу улучшения движения потоков воды в придренной области, и действует в качестве ограничителя препятствующего поступлению частиц почвы и почвенных агрегатов в дренажную трубу. Вместе с тем множество мелких частиц почвы и органических веществ, взвешенных в воде, поступает в трубу, и если обмотка правильно подобрана вымыв этих частиц не повлекут засорение или заиление трубы, и вместе с этим не повлекут интенсификации процессов эрозии осушаемых земель. При выборе обмотки должны учитываться гидрологический и механический состав почвы, и как говорилось выше, обмотка не должна выступать в качестве фильтра.

Обмотка является неотъемлемой частью многих подземных дренажных систем. Если она перестает выполнять свою функцию, то и вся дренажная система не будет работать. Проблемы, связанные с применением дренажных труб ограничены и хорошо изучены. Частое возникновение проблем принимающей поверхности и появление новых материалов делают актуальными их исследование.

Существует две категории исследования функционально;

сти того или иного материала дренажной обмотки, которые не всегда пересекаются. Эти категории:

исследование по методу «черного ящика». Используется для оценки пригодности конкретных типов обмоток для различных типов почв;

исследования, выявляющие параметры и факторы связей этих параметров, которые определяют применимость материалов.

Первая категория используется для оценки конкретных обмоток и материалов, вторая для получения фундаментальных знаний о дренажных системах.

Переход к экономико-экологическому методу оценки параметров мелиоративных систем накладывает необходимость пересмотра требуемых параметров. С одной стороны, необходимость создания таких дренажных систем, которые бы как можно равномерней регулировали водный режим, предотвращение снижения ценности природной системы. С другой — ужесточение требований к дренажным системам из-за нестабильности климатической ситуации, сгущение элементов дренажной системы.

Рис. 2. График средних температур на поверхности океанов

Возможные последствия изменчивости климата, которые могут повлиять на принципы планирования и разработки критериев включают в себя изменение температуры, количества осадков и стока.

Повышение температуры увеличивает риск экстремальных погодных явлений и локальных климатических аномалий.

Если n-общее число элементарных событий и все они равновозможные, то вероятность события dev определяется по формуле Р (dev) = mt/n,.

где mt — число исходов (функция от изменения средней температуры на поверхности океанов), благоприятствующих появлению события dev (климатические девиации).

С учетом климатических девиаций урожайность культур проектного севооборота на осушаемых землях будет выглядеть следующим образом.

т/г, где Kdev — коэффициент снижения урожайности учитывающий неопределенность изменения климатических условий.

Рис. 3. Вероятностные значения коэффициента снижения урожайности учитывающий изменение климатических условий в зависимости от проектного срока существования осушительной системы

Рис. 4. Схема физических, химических, биологических и гидрологических последствий действия сельскохозяйственного дренажа

Обоснованность проектных решений при строительстве осушительных систем должно опираться на долгосрочный возможный уровень продуктивности земель и исключать возможность деградации природных систем.

Экономико-экологический метод учитывает возможную урожайность культур и возможное изменение ценности природной системы. Следует сравнивать эколого-экономическую эффективность коммерчески доступных дренажных труб.

Существуют бескаркасные и каркасные дренажные трубы из полимерных материалов, изготавливаемые методом пневмоэкструзии полиолефинов. Такие трубы могут иметь относительно толстый слой водоприемного материала (от 2 до 30 мм). При производстве возможно регулирования параметров водоприемного материала, что позволяет создавать необходимые дренажные трубы в зависимости от проектных условий. Точный подбор позволит значительно сократить вынос грунтов и других элементов из осушаемой почвы.

Выводы

По оценкам, до 2025 г. использование дренажа увеличит производство продовольствия в мире не более чем на 1%. Это по сравнению с прогнозируемым 50%-м ростом за счет развития орошения, показывает, что дренаж не будет играть важную роль в процессе увеличения производства продуктов питания.

Развитие дренажа, однако, остается критически важным для поддержания настоящего уровня производства продуктов питания. Остается необходимой разработка ряда критериев и требований к дренажным системам, которые бы учитывали возможность возникновения эрозивных процессов на осушаемых землях.

Проекты дренажных систем, которые более плавно регулируют водный режим могут быть эффективны в условиях современного сельского хозяйства. При отсутствии интенсивного отведения избытка влаги возможно сохранение числа связей в природной системе, что не приведет к процессам ее деградации. Осторожный и сдержанный подход при проектировании приводит к снижению стоимости систем осушения.

Большинство существующих дренажных систем были спроектированы для длительной эксплуатации (более 30 лет) на основе гидрологических данных, предполагая, что климатические условия не изменятся в будущем. Но под действием глобальных процессов и парникового эффекта климатическая ситуация претерпит значительные изменения. Необходимо пересматривать принципы планирования, проектных критериев, правил эксплуатации, планов и политики управления водными ресурсами.

Возможные последствия изменчивости климата, которые могут повлиять на принципы планирования и разработки критериев включают в себя изменение температуры, количества осадков и стока. Задача заключается в определении краткосрочных стратегий одновременно с учетом долгосрочной неопределенности. Вопрос не в том, какие проектные решения будут лучше в течение следующих 50 лет, разумно учитывать несколько следующих лет и при изменении условий иметь возможность изменить курс.

Дренаж является важным средством для достижения устойчивого развития земель сельского хозяйства во всем мире. Дренаж должен способствовать повышению экологической устойчивости, а не увеличивать возможную продуктивность мелиорированных почв в краткосрочной перспективе.

Библиографический список

• 1. Айдаров И. П. Проблемы природопользования и природообустройства в России и пути их решения. — М.: ФГОУ ВПО МГУП. 2010. 94 с.
• 2. Айдаров И. П., Голованов А. И., Никольский Ю. Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель (рекомендации). — М.: Агрометеоиздат, 1990. 60 с.
• 3. Дмитриев Д. А. Фильтрационные процессы в придренной зоне в несвязных грунтах Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Ровно: РГТУ, 2001. 180 с.