Принципиальная схема конструирования и расчета осушительно–оросительной системы
Мелиорация – это изменение природных условий путем регулирования водного и воздушного режимов почвы в благоприятном для хозяйственных культур направлении.
По воздействию на почву и растение различают агротехнические, лесотехнические, химические и гидротехнические мелиорации.
При агротехнических мелиорациях плодородие земель повышают правильным выбором глубины и направления вспашки, почвоуглублением, сочетанием вспашки с поделкой глубоких борозд, гряд и валиков, залужением крутых склонов, мульчированием почвы, снегозадержанием и др. Этот вид мелиораций не требует специальных капитальных вложений, так как выполняется обычно машинами и орудиями, уже имеющимися в хозяйстве.
При лесотехнических мелиорациях улучшения земель (движущихся песков, крутых склонов , оврагов и др.) достигают посадкой на них древесной или травянистой растительности в сочетании с древесной.
При химических мелиорациях почвы ( солонцы и др.) улучшают внесением гипса, извести, дефекационной грязи, поваренной соли, серной кислоты, синтетического каучука, фосфоритной муки.
При гидротехнических мелиорациях повышения плодородия почвы достигают изменением их водного режима (орошением, строительством плотин, водохранилищ, осушительных каналов и др.). В степных районах для задержания весенних талых вод устраивают лиманы. В предгорных районах для борьбы с водной эрозией строят террасы. В засушливых или периодически засушливых, а также в умеренно увлажненных районах при возделывании культур, потребляющих много воды (многолетние травы, овощные и технические культуры ), недостаток влаги компенсируют орошением. В избыточно - увлажненных районах избытки воды отводят с помощью осушительных мелиораций.
Гидротехнические мелиорации требуют значительных капитальных вложений. Поэтому для их проведения необходимо технико-экономическое обоснование. Наибольшую экономическую эффективность мелиораций получают от комплексного их применения: когда орошение сочетается с дренированием земель, а осушение- с правильным орошением; гидротехнические мелиорации- с правильной организацией труда, высоким уровнем агротехники, внесением необходимых доз удобрений; закрепление крутых склонов и оврагов- с устройством водоотводных каналов и валов, лотков и перепадов с лесными посадками и залужением; устройство прудов и водохранилищ - с орошением земель и рыборазведением; осушение земель - с известкованием почв и комплексом культуртехнических работ; освоение и промывка засоленных земель – с мелиоративной вспашкой, гипсованием. Кроме того, для правильного освоения орошаемых, осушенных и эродированных земель большое значение имеют правильный выбор вида и сорта культур и чередование их в севооборотах обычного и специального назначения, а также экономика и организация сельскохозяйственного производства.
Комплекс мероприятий по борьбе с эрозией почв включает агротехнические, лесомелиоративные и гидротехнические приемы, направленные на сохранение плодородия почвы, предотвращение смыва и размыва ее разрушительной силой сосредоточенных водных потоков.
Московская область расположена в центральной части Русской равнины. По рельефу область неоднородна - довольно значительная ее часть занята Смоленско – Московской возвышенностью, простирающейся с юго-запада на северо-восток области и представляющая собой волнистое плато с заболоченными понижениями, расчлененными глубокими и широкими долинами рек. Абсолютные высоты на водоразделах колеблются от 200 до 300 метров.
Речная сеть довольно густая – большинство рек области относятся к бассейну Оки и ее главных притоков – Москвы , Клязьмы и Верхней Волги (на севере области). Общим для всех рек является наличие затопляемой поймы, извилистость русла и небольшое падение, что обуславливает медленное течение. Скорость течения большинства рек составляет 0,1 – 0,4 метра в секунду и понижается в верховых и плесах до минимальных значений.
Большинство рек в области зарегулировано. Режим рек характеризуется высоким весенним половодьем, низкой летне – осенней меженью с редкими дождевыми паводками и устойчивой зимней меженью.
Самая ранняя и самая поздняя дата наступления максимального уровня соответствует последней декаде марта и первой декаде мая. Превышение максимального уровня над меженным составляет в среднем 7-9 метров.
Для оценки влагообеспеченности используют данные о количестве выпавших осадков за период вегетации в целом и в отдельные его отрезки, так как в разные периоды развития сельскохозяйственных культур потребность их во влаге неодинакова. Максимальная потребность во влаге наблюдается в период наибольшего развития вегетативной массы и формировании репродуктивных органов. Это так называемые критические периоды, когда недостаток влаги в почве вызывает резкое снижение урожая. Для ранних зерновых очень важны осадки в первую половину лета, для поздних пропашных культур во вторую половину.
Сума осадков за период активной вегетации составляет в среднем 250 – 270 миллиметров. В период с перехода температуры через +5°С до перехода температуры до + 15°С выпадает 90 – 110 миллиметров, за период с температурой выше + 15°С – 180 миллиметров. В каждый из летних месяцев осадков выпадает 70-80 миллиметров, что обеспечивает достаточное увлажнение. Однако количество осадков в отдельные месяцы из года в год очень различно, и их сумма значительно отклоняется от средней величины.
Поэтому оценка влагообеспеченности растений по количеству выпавших осадков недостаточно точно характеризует обеспеченность территории влагой. Это связано и с тем, что не все осадки используются растениями - часть их стекает с поверхности почвы.
Для более полной характеристики влагообеспеченности растений пользуются данными о влажности почвы.
Вся влага, находящаяся в почве, не может быть использована растениями ,часть ее удерживается в почве силами , большими, чем сосущая сила растений. Состояние почвы, при котором недостаток влаги в тканях в растений не восполняется, называется влажностью завядания.
Иногда все поры заполняются водой - это состояние почвы называется полной влагоемкостью.
Оптимальная влажность, наиболее благоприятная для растений, наступает в состоянии предельной полевой влагоемкости - влага удерживается почвенными капиллярами.
Гидротермический коэффициент ( отношение осадков к испарению) в Московской области равен 1,6 - 1,7. Московская область относится к зоне избыточного увлажнения, но, учитывая неравномерность распределения осадков по месяцам и критические периоды влагопотребления сельскохозяйственных культур, при проектировании мелиоративных сооружений необходимо учитывать, что в некоторые периоды нужно не только осушение, но и орошение территорий.
Выбор года расчетной обеспеченности для проектирования осушительно-оросительной сети.
Обеспеченность Р – вероятность повторения того или иного события.( в нашем случае разницы между осадками и испарением.)
На основании данных самого засушливого года проектируем оросительную систему, на основании данных самого влажного года – осушительную систему.
Выбор метода и способа осушения.
Метод осушения - мелиоративный комплекс, включающий агротехнические, технические и организационные мероприятия, направленные на ликвидацию причин ,вызывающих избыточное увлажнение земель.
Способ осушения – техническое осуществление метода осушения.
Осушение эффективно в том случае, когда оно устраняет причины, вызывающие избыточное увлажнение земель. Прежде чем проектировать осушительную систему, необходимо определить тип водного питания (причины переувлажнения ), наметить метод и способ осушения.
Выбор того или иного способа осушения зависит от технических возможностей и экономической целесообразности( наличия средств, производственной базы).
На проектируемой территории причиной заболачивания является высокое стояние грунтовых вод и слабый их сток с осушаемой территории.
Тип водного питания- грунтовый безнапорный.
Метод осушения- понижение уровня грунтовых вод и ограждение территории от поступления поверхностного стока с водосбора.
Способ осушения- закрытый горизонтальный дренаж и ограждение территории нагорными каналами.
Дренаж равномерно понижает уровень грунтовых вод, не создает помех для механической обработки почвы, повышает коэффициент землепользования, надежен в работе, дешев в эксплуатации.
Выбор схемы осушительно-оросительной системы.
Схема- дренаж керамический( гончарный) , т.к. разработана индустриальная технология его строительства.
В летние периоды вегетации растения часто испытывают недостаток влаги. Для получения гарантированных урожаев на нашем участке необходимо предусмотреть орошение. Проектируем орошение дождеванием. Оросительная сеть закрытая, т.к. уклоны местности небольшие, рельеф сложный, к тому же при строительстве закрытой оросительной сети небольшие эксплуатационные затраты.
Расположение осушительной сети на плане участка на плане с учетом заданного севооборота и природных условий.
Осушительная система состоит из следующих частей:
1. осушаемая территория
2. водоприемник
3. регулирующая сеть (дренаж)
4. проводящая сеть
5. ограждающая сеть
6. гидротехнические сооружения
7. дороги и дорожные сооружения
Водоприемник.
Задача: своевременно принять избыток воды из осушительной сети и отвести ее за пределы осушаемой территории. В качестве водоприемника может быть использованы реки, озера, балки. У рек- водоприемников выделяют рабочую и сбросную части.
Требования к водоприемнику:
1. водоприемник должен быть пригоден для самотечного приема воды
2. русло не должно зарастать
3. уровень воды в водоприемнике в летний период должен быть на 2 метра ниже берега
Если река – водоприемник не справляется со своей задачей, то проводят ее регулирование : углубление и расширение русла реки, придание поперечному сечению реки правильной формы, спрямление реки.
Регулирующая сеть.
Задача: регулирование водно-воздушного режима корнеобитаемого слоя почвы посредством понижения уровня грунтовых вод и сбора поверхностных вод.
Регулирующая сеть представлена дренажем.
Требования к регулирующей сети:
1. проектирование с минимальным уклоном (до 0,002).
2. оптимальная длина (L opt ) дрен 60-250 метров.
3. минимальная глубина заложения дрены – 1 метр на минеральных грунтах , 1,1 метр - на торфяных (после их осадки).
4. расстояние между дренами и глубина заложения дрен определяется расчетом
5. сопряжение дрены с коллектором в плане производится под углом 60 или 90°С в вертикальной плоскости внахлест.
6. между концами соседних дрен , впадающих в разные коллекторы, должна оставаться полоса шириной, равной половине междренного пространства.
При размещении дрен на плане необходимо учитывать, что магистральные каналы сами осушают часть поля шириной 30-50 метров в обе стороны от него.
Проводящая сеть.
Задача: принять избыточную воду из регулирующей сети и отвести ее в водоприемник.
Проводящая сеть - открытая и закрытая. Открытая представлена магистральными каналами, закрытая- коллекторами.
Магистральные каналы.
Задача: принять избыточную воду из коллекторов и ограждающей сети и отвести ее в водоприемник.
Требования к магистральным каналам:
1. должны быть прямолинейными и иметь минимальное количество поворотов
2. направление русла магистрального канала должно совпадать с направлением паводка
3. должен проходить по самым низким местам осушаемой территории
4. летне-осенний паводок должен полностью помещаться в его русле
5. форма поперечного сечения должна отвечать устойчивости прорезаемых грунтов. При сопряжении магистральных каналов различных порядков необходимо, чтобы уровень воды в канале старшего порядка соответствовал отметке дна канала младшего порядка.
6. уклон дна магистрального канала должен быть 0,0005-0,005 (перепад высот 0,5-5 метров на 1000 метров)
7. расстояние между соседними магистральными каналами определяется длинами коллекторов и находится в пределах от 600 до 1200 метров.
Коллекторы.
Задача: принятие воды из дрен и отведение ее в магистральный канал или водоприемник.
Требования к коллектору:
1. проектирование по наибольшему уклону местности (0,003-0,007)
2. длина коллекторов – 300-1200 метров
В зависимости от рельефа дрены к коллектору присоединяются с одной или с двух сторон. Коллектор к магистральному каналу подсоединяется под углом 60-90°.
Ограждающая сеть.
Задача: перехват поверхностного стока, поступающего на осушаемую территорию с водосбора и отвод ее в водоприемник.
Для перехвата поверхностного стока – нагорные каналы, для перехвата грунтовых вод – ловчие каналы.
Требования к ограждающей сети:
1. глубина нагорных каналов 1-1,5 метра
2. поперечное сечение нагорного канала – неравнобокая трапеция
3. глубина ловчих каналов 1,5–3,5 метра
4. поперечное сечение ловчих каналов – трапеция ( канал узкий и глубокий )
Гидротехнические сооружения.
Состав сооружений на осушительной сети:
1. устья - места впадения коллекторов в магистральные каналы.
Требования: не должны зарастать, затопляться и разрушаться.
2. шлюзы - регуляторы – предназначены для регулирования уровня воды при впадении открытых каналов в водоприемник или другие каналы.
3. смотровые колодцы - служат для наблюдения за работой коллекторов, для очистки коллекторов. Смотровые колодцы устраивают через каждые 500 метров по длине коллектора, а также в местах направления изменения уклона или в местах впадения одного коллектора в другой.
Дороги.
Прокладываются по открытым каналам. В местах пересечения открытых каналов - трубопереезды.
Проектирование осушительной части системы.
1. Определение глубины заложения дрен
2. Расстояние между реками
3. Приток к одной дрене
Определяя расстояние между дренами, исходят из условия, что дренаж к началу весенних полевых работ понижает уровень грунтовых вод на глубину 0,5-0,6 метра; 0,7-0,8 метра к концу первого месяца вегетации и в среднем на 1,2-1,3 метра в летние месяцы вегетации.
Начало предпосевного периода определяется по дате перехода среднесуточной температуры через +5°С. Посевной период наступает через 10-14 дней.
Гидравлический расчет элементов осушительной сети
Основная задача – определение пропускной способности дрен, фактического притока воды к дрене и определение внутреннего диаметра дренажных труб.
В практике мелиорации применяются трубы различных диаметров:50,63,75 и более . В основном используются трубы диаметром 50 мм.
По направлению от истока к устью увеличивается диаметр коллектора в связи с возрастающей на него нагрузкой.
Для минимального допустимого уклона труб в 0,002 и внутреннего диаметра = 50 мм, пропускная способность дрены(q) = 0,39 л/с.
Подбор диаметра коллектора.
Проектируется телескопическое сечение, то есть увеличение диаметра по мере увеличения числа дрен, впадающих в канал.
Вертикальное сопряжение элементов осушительной сети.
При вертикальном сопряжении элементов осушительной сети должен соблюдаться принцип бесподпорной работы всех элементов.
Проектирование оросительной части системы
Выбор типа дождевальной машины.
При выборе дождевального устройства необходимо руководствоваться следующими правилами:
1. габариты машины должны вписываться в конфигурацию поля
2. интенсивность дождя машины должна быть меньше, чем скорость впитывания воды в почву
3. необходимо проанализировать технико-экономические показатели машины ( количество обслуживающего персонала, влияние ветра на равномерность распределения дождя по площади, маневренность и проходимость, возможность работы от открытых/закрытых оросительных сетей, крупность капель дождя, затраты энергии на создание 1 мм дождя, стоимость машины).
Учитывая вышесказанное, для полива участка дождеванием принимают машину «Волжанка».
Характеристика машины «Волжанка».
«Волжанка» ( дождеватель колесный широкозахватный): трубопровод из двух крыльев на колесах, работает позиционно от закрытой сети с фронтальным механизированным перемещением между позициями.
Технико-экономические показатели машины.
Расход, л/с - 64
Площадь орошения с одной позиции, га - 1,44
Максимальная интенсивность дождя, мм/мин - 0,275
Расстояние между гидрантами, м - 18
Расстояние между оросителями, м - 800
Длина одной секции, м - 12,6
Выбор места под насосную станцию.
Площадку под насосную станцию выбирают на прямолинейном участке реки. Берег ее должен быть устойчивым и не затопляться летними паводковыми водами.
Расчет полива дождеванием.
При расчете полива дождеванием определяется интенсивность дождя машины, время стоянки машины на одной позиции, суточная производительность машины, сезонная производительность машины, а также количество машин, необходимых для полива заданной площади.
Хозяйственный план регулирования.
Для регулирования водного режима на системах двустороннего действия составляют хозяйственный план регулирования, в котором намечают мероприятия по управлению влажностью почвы в зависимости от погодных условий и требований сельскохозяйственных культур.
Для составления таких планов необходимо иметь схему осушительно-увлажнительной сети, почвенную карту, сведения о водно - физических свойствах осушаемых почв, схему севооборотов, данные о колебании грунтовых вод, а также прогноз погоды на период вегетации.
Одной из таких составляющих является ведомость водного режима. Ведомость водного режима составляют и рассчитывают на основе уравнения водного баланса для каждого поля севооборота.
Все культуры севооборота условно делим на 3 группы : I - ранние культуры ( период вегетации 80-90 дней), II - средние ( период вегетации 100-110 дней), III - поздние (период вегетации 120-130 дней).
Состав культур в севооборотах
NN
Состав культур
Площадь поля
Группа культур
1
капуста ранняя
30
I
2
картофель ранний
30
I
3
кукуруза на силос
30
II
4
однолетние травы
30
III
5
морковь кормовая
30
III
6
свекла кормовая
30
III
Расчет динамики влажности и определение норм полива.
При составлении ведомости водного режима величину расчетного слоя почвы выписываем подекадно и условно принимаем, что величина углубления корневой системы = 10 сантиметров за каждую декаду.
Температуру воздуха и сумму осадков выписываем подекадно из метеоданных самого сухого года.
Нижний предел влажности определяем по формуле: А = ВЗ+ППВ
При расчете динамики влажности по декадам необходимо определить запасы влаги на начало и конец расчетного периода.
Запасы влаги на начало первой декады расчетного периода принимают равными ППВ этой же декады.
Для определения запасов влаги на начало следующей декады или расчетного периода необходимо установить наличие избытка/недостатка влаги на конец предыдущей декады.
Для этого влажность на конец предыдущей декады сопоставляют с верхним и нижним оптимальными пределами за тот же расчетный период.
Размер принятой поливной нормы должен быть больше полученного недостатка, но меньше максимальной поливной нормы, при этом должен быть кратен 50.
Если полив запланирован на последнюю декаду вегетации, то: для I,II групп культур снимаем/переносим полив с последней декады, для III группы культур – с последних двух.
Сроки и нормы полива и сброса избыточных вод на полях севооборота.
На основании ведомости водного режима устанавливаем режим орошения культур с учетом их особенностей. Для культур, высаженных рассадой, устанавливаем посадочные поливы ( норма = 50 м3/га ). Для получения дружных всходов могут быть назначены освежительные поливы.
Определение диаметров труб напорной оросительной сети.
Допустимые скорости для асбесто-цементных труб = 0,75…1,5 м/с.
Орошение на местном стоке.
В практике орошения часто используют воды местного стока. Воды, полученные в результате снеготаяния и обильного выпадения дождей, которые задерживают в естественных понижениях с помощью земляных плотин.
Выбор местности под водоем и плотины.
При выборе местности под водоем руководствуются следующими требованиями:
1. дно водоема должно быть не менее 4 метров
2. дно водоема должно быть сложено грунтами с низким коэффициентом фильтрации
3. откосы водоема должны иметь уклон не более 0,1
4. на площади водосбора не должно находиться населенных пунктов
Плотина проектируется в самом узком и глубоком месте балки.
Затраты на строительство осушительно-оросительной системы.
Затраты на строительство осушительно-оросительной системы состоят из:
1. осушительная сеть – строительство магистральных каналов, нагорно-ловчих каналов, разравнивание кавальер вдоль каналов, строительство дренажных траншей и укладка дрен, строительство траншей и укладка коллекторов(коллекторных труб).
2. оросительная сеть – приобретение дождевальных машин, асбесто – цементных трубопроводов, стальных трубопроводов, временных оросителей.
3. дороги на осушительной сети – с твердым покрытием, профилирующие дороги, полевые дороги.
4. дополнительные мероприятия на осушительной сети – крепление откосов магистральных каналов сплошной одерновкой, крепление откосов нагорно-ловчих каналов посевом многолетних трав.
5. сооружения на осушительно – оросительной сети – мосты, трубопереезды, шлюзы-регуляторы, бетонные смотровые колодцы (на осушительной сети), насосная станция, водовыпуски в оросители и концевые сбросы на элементах оросительной сети.
6. культуртехнические работы – удаление кустарниковой растительности, уборка камней, срезка кочек, планирование поверхности, внесение извести, первичная вспашка, дискование, прикатывание.
7. неучтенные средства (5% от общей стоимости строительства).
Составление графика поливов культур кормового севооборота.
При составлении графика необходимо увязывать сроки полива со сроками послеполивной обработки почвы. Для составления необходимо знать состав культур, площади под ними, сроки и нормы поливов. Определяем продолжительность поливов с учетом продолжительности послеполивной обработки почвы.
В неукомплектованном графике сроки полива устанавливаются только с учетом динамики влажности почвы. Поэтому в отдельные периоды в одни и те же сроки необходимо поливать несколько полей, а в другие сроки полив не требуется. Поэтому для расчетов параметров оросительной сети и организационных поливов этот график неудобен. График поливов укомплектовывается так, чтобы расходы воды отличались не более чем на 10 % один от другого и сохраняли требуемый для орошения объем воды.
При укомплектовывании графика необходимо соблюдать следующие условия:
1. объем воды для данного полива не должен изменяться
2. нельзя запаздывать с началом полива на 3 – 4 дня. Период изменяют за счет сокращения продолжительности полива.
3. при укомплектовании надо стремиться к ликвидации 1-2 дневных перерывов между поливами.
Сроки поливов определяются по укомплектованному графику. Средний день полива при проектировании графика можно сдвигать в ту или иную сторону на 3 суток.
Размеры поля севооборотного участка.
Размеры полей должны быть увязаны с элементами техники полива. Полив культур в севообороте будем проводить поверхностным способом по бороздам, а культуры сплошного сева по полосам. Длины поливных борозд и полос назначаются в зависимости от уклона, типа почвы и водопроницаемости почв.
Возьмем почву с хорошей водопроницаемостью – легкий суглинок. Средний уклон оросительных каналов, нарезанных по длине поля, примем 0,001. Тогда рекомендуемая длина поливных борозд для данного уклона и почвы будет равна 200 м. Ширина поля должна быть кратна 200 метрам. Оптимальное соотношение поля и его ширины = 1,5 – 3.
Подача воды в поливные борозды будет производиться из временных оросительных каналов.
Рекомендуется подавать во временные оросители от 20 до 80 л/с.
