Характерним для об'єкта досліджень є наявність двох агрокліматичних районів: Поліського з помірно теплим, добре зволоженим і Лісостепового з помірно теплим, середньозволоженим кліматом.

Річна сума опадів становить 550-590 мм у першому районі і 470-560 мм у другому. Багаторічна середня температура січня - 6,4о, липня - 19,9о. Зволоженість території у часі і просторі нестійка, що спричиняє мінливі умови водного режиму, потребує його штучного регулювання.

У районі досліджень виділяють три грунтово-меліоративні зони: Поліську, Перехідну і Лісостепову. Грунти перших двох зон, які належать до типового Полісся, характеризуються пониженою природною родючістю, залягають переважно на середніх і важких за складом підгрунтах водно-льодовикових рівнин. Представлені вони дерново-підзолистими і підзолисто-дерновими різновидами, в пониженнях - оглеєні. Грунтові води прісні. У Лісостеповій зоні на вододілах сформувались опідзолені грунти, чорноземи опідзолені, деградовані й потужні, в пониженнях - осолоділі. За морфогенетичними показниками всі грунти поділено на чотири грунтово-меліоративні райони і 26 грунтово-меліоративних груп.

У структурі поверхні території області відокремлено два морфогенетичних типи рельєфу: акумулятивно-денудаційний і ерозійно-акумулятивний.

На території області проведено спеціальне гідрогеолого-меліоративне районування (Харківдіпроводгосп, 1979), за яким вибрано еталонні об`єкти у складі еколого-меліоративного моніторингу, а також ранжування меліоративних систем за чинниками, що визначають умови, методичні і технологічні підходи до їхньої реконструкції.

Осушення в області спочатку проводилось на прискорений скид поверхневих вод без регулювання водного режиму, що себе не виправдало. Тому пізніше будували тільки осушувальні системи двобічної дії із збільшенням обсягів культуртехнічних робіт і урахуванням заходів з охорони навколишнього середовища.

На сьогодні на території Сумської області налічується 147 осушувальних систем загальною площею 107,2 тис.га, в тому числі 122 осушувально-зволожувальні системи на площі 78,7 тис.га, 16 - польдерного типу і лише 9 належать до систем однобічної дії.

В цілому територія не належить до зони надлишкового зволоження при середньобагаторічній кількості опадів 550 мм. Коефіціент природної зволоженності має показник 1,9-2,1. Другою важливою особливістю є перезволоження середніх і важких грунтів. Ці чинники зумовлюють те, що фонд осушення складають переважно землі тимчасового сезонного перезволоження. За природних умов, що склалися, перезволоження понижених і слабкодренованих або безстічних територій відбувається переважно у період сніготанення і весняних опадів, а в літній період ці ж території зазнають дефіциту вологи. Тому для використання їх у сільськогосподарському виробництві необхідне своєчасне відведення весняних вод з поверхні грунту і орного шару, а в літній період - додаткове зволоження. На це спрямована і пропонована реконструкція з урахуванням соціально-економічних і матеріально-технічних умов, які склалися на даний період.

У третьому розділі наводиться обгрунтовання доцільності і особливостей реконструкції меліоративних систем за сучасних умов землекористування. Особливого значення на даний період набуває необхідність покращення водного режиму на плакорних (староорних) землях, які зазнають локального сезонного перезволоження у западинних формах рельєфу, що негативно відбивається на ефективності використання сільськогосподарських угідь.

Проводити сільськогосподарські роботи у цих пониженнях можна з великим запізненням, а в деякі роки зовсім неможливо. Крім того, у пониженнях на глибині 30-60 см знаходиться ілювіальний горизонт, який за умов перезволоження стає водотривким і не допускає проникнення води у нижні горизонти. У замкнених пониженнях розповсюджені солоді і осолоділі грунти з низькою природною родючістю.

Спеціальні дослідження показали, що застосування для ліквідації понижень планування порушує природний склад грунтових горизонтів, значно змінює водні і хімічні властивості грунту. Добавка врожаю на насипах не компенсує витрат на зрізах.

Необхідність виключення негативного впливу посух та досягнення стабільної врожайності культур потребує їхнього додаткового зволоження. Тому осушувальна меліорація за умов дефіциту водних ресурсів повинна вирішувати двостороннє водорегулювання з акумуляцією і повторним використанням інфільтраційно-дренажних вод у межах водозбору меліоративної системи. На цих територіях необхідні локальні, технічно прості і недорогі системи водовідведення з поверхні землі і орного шару.

За даними багатьох вітчизняних і зарубіжних вчених, двобічне регулювання водного режиму, особливо на мілких торфах і мінеральних грунтах підвищує, за високої культури землеробства, продуктивність сільськогосподарського виробництва. Головними напрямами інвестицій можуть стати реконструкція і технічне переозброєння меліорації, оскільки окупність тут здійснюється вдвічі швидше, ніж за інших видів витрат (Г.І. Афанасік, З.Н. Шкутов, 1996; Г.І. Ватутін, 1973; А.Ю. Дірсе, 1974; Н.В. Євдокимова, 1975; В.М. Зубець, 1972; П.І. Коваленко, 1978; Н.В. Логунова, 1998; Б.С. Маслов, 1981; В.П. Пантелєєв, 1993; О.В. Скрипник, І.С. Сорока, 1985; О.В. Скрипник та ін., 1998). Вивчення економічної доцільності реконструкції і необхідність розробки нових малозатратних невеликих меліоративних систем за сучасного землекористування зумовили мету досліджень автора.

Головними показниками, які зумовлюють необхідність проведення реконструкції, є перезволоження осушених земель, їхнє вторинне заболочування, а також сезонний дефіцит вологи в грунті, які неможливо ліквідувати за допомогою проведення лише експлуатаційних заходів.

Автором запропоновано уніфіковану схему обгрунтування реконструкції чи модернізації меліоративних систем на техніко-економічній та екологічній основі. Особливість її полягає в тому, що вибір об`єктів реконструкції здійснюється на базі даних еколого-меліоративного моніторингу осушуваних земель із залученням показників гідрогеолого-меліоративного стану земель, технічного стану меліоративної системи, родючості грунтів, фондозабезпеченості землевласника, потенційної забезпеченості господаря добривами, наявності у них достатньої кількості робочої сили і зацікавленості землевласника у реконструкції меліоративної системи (В.Є. Алексеєвський, О.В. Цвєтова, 2001; В.Є. Алексеєвський та ін., 1995, 2001; П.І.Коваленко та ін., 1999; Б.І.Козловський, 1995; Б.І.Козловський, 1989; І.Ю.Насєдкін, О.В. Цвєтова, 1997; В.І.Федченко та ін., 2002; М.В. Яцик та ін., 1999).

Основним критерієм оцінки стану осушуваних земель, за даними моніторингу, є відповідність фактичних показників водного режиму на системі їхнім оптимальним значенням, наведеним у таблиці 1.

Таблиця 1

Оптимальні глибини залягання рівнів грунтових вод за періодами сільськогосподарського року і основними сільськогосподарськими культурами

Запропонована автором методика дає змогу на територіальній основі обгрунтовано визначати об'єкти реконструкції і ранжувати їх за черговістю проведення робіт, що є основою планування і раціонального використання фінансових і матеріальних ресурсів.

Обгрунтування необхідності, доцільності і особливостей реконструкції наведено за сучасних умов землекористування з урахуванням роздержавлення осушуваних земель і децентралізації матеріально-технічного забезпечення сільського і водного господарства.

Для розробки безпосередньо ресурсозберігаючих технічних засобів модернізації та реконструкції меліоративних систем автором вибрано типову дослідну ділянку з характерними пониженнями і вимочками, які перешкоджають їх ефективному сільськогосподарському використанню. Ця ділянка розташована на кордоні Сумської та Чернігівської областей поблизу с.Петрівське між залізничними станціями Конотоп та Бахмач.

У розділі на прикладі багатьох країн проаналізовано міжнародний досвід ефективного використання осушуваних земель за різних природних умов, технічних рішень, еколого-економічних і інвестиційних підходів.

У четвертому розділі вміщено характеристику системи еколого-меліоративного моніторингу по Сумській області як основної інформаційної бази для прийняття технічних і організаційних рішень з покращання функціонування і підвищення ефективності використання меліоративних систем (ВБН 33-5.5-01-97, 1997).

Відмічається, що результати моніторингових спостережень, одержаних за єдиними методиками, дають можливість об'єктивно оцінити еколого-меліоративний стан осушуваних земель локально по окремих системах, а також у межах господарств, районів, областей Полісся і на цих рівнях приймати рішення про подальшу експлуатацію меліоративної системи та поліпшення її стану (В.Є. Алексеєвський, І.Ю. Насєдкін, Г.П. Рябцева, О.В. Цвєтова, 1985-2001; П.І. Коваленко та ін., 1999; Б.І. Козловський, 1989-1995; А.В. Яцик та ін., 1994). Еколого-меліоративний моніторинг, крім прикладних меліоративних експлуатаційних завдань, спрямований на оцінку стану геоекосистем у межах іхніх природних кордонів, що зазнали меліоративного навантаження за комплексом показників, куди входять дані про режим та баланс природних вод, характеристики грунтів, сільськогосподарське використання і агротехніку, фенологію, радіаційний стан грунтів і вод, технічний стан меліоративних систем. Такі комплексні багатогранні дослідження за окремо затвердженою програмою проводяться на спеціально вибраних і обладнаних для систематичних спостережень типових (еталонних) системах.

На території Сумської області виділено 6 еталонних систем, конкретною задачею спостережень на яких є фіксація і відстеження процесів, що відбуваються на меліорованих і прилеглих до них землях.

Аналіз проведених по еталонних системах обстежень свідчить, що несприятливий меліоративний стан виявляється як у пересушенні, так і у перезволоженні осушуваних площ. Перше пов'язане зі значною дренованістю осушуваних земель і неможливістю акумуляції поверхневого стоку (для зволоження через дрени), друге - із замуленістю закритого дренажу і зниженням пропускної здатності відкритої мережі (замулення, заростання рослинністю тощо).

Для екстраполяції даних моніторингу і оцінок еколого-меліоративного стану, що виконуються на еталонних об'єктах, здійснено групування всіх меліоративних систем. Цей необхідний захід виконано на основі природно-меліоративного районування з урахуванням однорідності підходів до регулювання водного режиму грунтів, їхньої обробки, застосування агротехнологій тощо.

При групуванні меліоративних систем навколо об'єктів-аналогів обгрунтовано залучалися суміжні прикордонні території різних природно-меліоративних областей. Таким чином всі меліоративні системи поділено на шість груп за еталонними об'єктами системи еколого-меліоративного моніторингу.

За даними щорічної оцінки меліоративного стану осушуваних земель, відбувається поступове його погіршення. За останні шість років площа земель із добрим меліоративним станом зменшилася більше ніж в два рази з 58576 до 23221 га. Водночас, збільшилася площа із задовільним станом з 33845 до 78476 га. За даними кадастра, площа земель з незадовільним меліоративним станом зменшилася з 4763 до 2857 га. Однак, за даними спеціальних досліджень, виконаних автором разом з ІГіМ УААН, доведено, що системи із задовільним меліоративним станом у своїй більшості слід називати системами “з умовно задовільним станом”, які можуть збільшити площу осушуваних земель із незадовільним станом в 3-4 рази.

Головним чинником зниження урожайності сільськогосподарських культур на землях з незадовільним меліоративним станом є відхилення фактичних термінів сівби (садіння) від оптимальних. Тому для ранжування осушувальних систем за приорітетністю і черговістю реконструкції залучена методика визначення втрат врожаю через запізнення початку сільськогосподарських робіт

, (1)

де Кс - коефіцієнт зниження врожаю порівняно з потенціально-можливим; - емпіричний коефіцієнт ймовірних втрат врожаю, спричинених відхиленням термінів сівби від оптимальних; Т - сума додаткових середньодобових температур повітря, нагромаджених після дати переходу температури повітря через 0оС; То - сума додаткових середньодобових температур повітря, що забезпечують оптимальні терміни сівби.

Емпіричні коефіцієнти визначено і прийнято для основних сільськогосподарських культур (М. Лазарчук, В. Муранов, 1989, 1997).

У розділі наведено детальну характеристику гідрохімічного стану меліоративних систем за якістю поверхневих, дренажних і підземних вод. За результатами оцінки, 27 меліоративних систем характеризуються незадовільною якістю природних вод через погіршення умов і інтенсивності водообміну на системах з переважно незадовільним і умовно задовільним меліоративним станом.

На деяких осушуваних площах кількість сульфатів (SO42-) перевищує 100 мг/дм3, вміст магнію (Мg2+) перевищує 40 мг/дм3. Дані аналізів свідчать, що дренажні і поверхневі води за головними аніонами і лужністю знизили свій клас і категорію.

Проведений детальний аналіз еколого-меліоративного стану еталонних осушувальних систем підтверджує поступовість зниження ефективності використання осушуваних земель через недосконалість регулювання водного режиму, порушеннях на мережі і спорудах та складність експлуатаційного догляду за сучасних умов землекористування.

Найбільша кількість систем з незадовільним або умовно задовільним меліоративним станом належить до групи еталонних систем "Щимля" і "Сніжки". За районуванням, це переважно перезволожені землі Сеймської терасової рівнини льодовикової і передльодовикової зон та Глухівської лесової рівнини. Саме для аналогічних умов перезволоження обрано дослідно-виробничий об'єкт з відпрацювання нових ефективних засобів регулювання водного режиму грунтів.

Формування водного режиму грунту в передпосівний період відбувається під впливом метеорологічних умов і водорегулюючої дії осушувальної мережі. Параметри останньої визначаються на основі розрахункової інтенсивності, яка базується на даних емпіричних досліджень і може бути визначена шляхом моделювання.

В основу моделювання покладено рівняння водного балансу, що має вигляд:

, (2)

де W - шар надлишкової вологи, яка має бути видалена з грунту за розрахунковий період, мм; О - атмосферні опади за розрахунковий період, мм; Е - сумарне випаровування за розрахунковий період, мм; - коефіцієнт водовіддачі грунту; h - необхідна глибина зниження РГВ до норми осушення, мм; Wгр - результуюча грунтового водообміну осушуваної території, мм.

На першому етапі моделювання визначено максимальну інтенсивність осушення для культур ранньої та пізньої сівби. Але осушувальна мережа, що забезпечує максимальну інтенсивність осушення, потребує максимальних витрат на реконструкцію і, тому, працюватиме з недостатнім навантаженням. Однак при зменшенні розрахункової інтенсивності осушення зростає ймовірність втрати врожаю через зростання періоду осушення.

Тому на другому етапі моделювання, поступово зменшуючи інтенсивність осушення за рівнянням (1), обрахували коефіцієнти зниження врожаю, з урахуванням даних по кожній метеостанції області (табл. 2).

Таблиця 2

Середньобагаторічні коефіцієнти зниження врожаю

Загальна вартість втрат врожаю сільгоспкультур (грн/га) розраховується за формулою:

, (3)

де Ук - потенційно можливий (проектний) врожай к-тої культури, ц/га; бк - частка культури на території меліоративного об'єкта; Цк - закупівельна ціна на продукцію к-тої культури при i-тому варіанті властивостей грунту та j-тих параметрах осушувальної мережі.

Запропоновано методику і виконано для всіх еталонних систем оптимізаційні розрахунки, враховуючи критерій-мінімум зведених витрат та вартості ймовірних втрат сільськогосподарської продукції:

, (4)

де ЗВі - зведені витрати на будівництво і експлуатацію і-того варіанту осушувальної мережі; Уі - вартість ймовірних втрат врожаю сільськогосподарських культур, зумовлених відхиленням водного режиму грунту від оптимального при і-тому варіанті осушувальної мережі.

У п'ятому розділі наведено технологічні підходи щодо реконструкції осушувальних систем. Автором відмічалося, що для обгрунтування вибору об'єктів реконструкції за сучасних умов землекористування необхідно насамперед враховувати природно-меліоративні особливості наміченої території. Притаманна чи ні сезонність виникнення надлишків поверхневої і грунтової вологи. Останнє потребує надання меліоративним системам подвійних функцій - навесні, в передпосівний період та початок вегетації - відведення надлишковой води з поверхні грунту та орного шару, в меженний період, середина літа - початок осені - додаткове зволоження з гарантованого водного джерела.

Встановлено, що найважче вирішується питання водорегулювання на ділянках з тимчасовим сезонним перезволоженням. Це орні території слабкодренованих або безстічних вододільних просторів із розвитком у рельєфі замкнених локальних понижень, що акумулюють місцевий поверхневий стік і поступово переводять його у стік грунтовий. Тут створюється складна контурна ситуація, що ускладнює використання сільськогосподарської техніки, знижує коефіцієнт земельного використання, зумовлює нерівномірність властивостей грунтів. Такі території складають переважно фонд орного землеробства і одержання базової сільськогосподарської продукції (Ф.К.Куропатенко, 1981; А.Ф.Рубан, 1969; О.В.Скрипник, 1969, 1977; О.В.Скрипник, М.А.Солопко, 1978, 1980; О.В.Скрипник, П.І.Гаць, І.С.Сорока, 1982 та ін.).

У зв'язку з цим відпрацьовувався новий підхід до меліорації перезволожених земель з розробкою нових систем і технологій осушення локальних об'єктів перезволоження або реконструкції існуючих систем.

Основними засадами такого підходу є мінімізація працезатрат, можливість використання існуючих технічних засобів і місцевих дешевих матеріалів.

Нами ставилася задача своєчасного відведення надлишкової води з орного шару в певних контурах, з акумуляцією вологи в розрізі сільськогосподарського року, для її подальшого використання на зволоження.

Запропоновано при реконструкції меліоративних систем не скидання надлишків води, а акумуляція її в спеціальних водоакумулювальних конструкціях. Експериментальні дослідження цього принципу здійснювались шляхом побудови дослідної системи на межі Сумської і Чернігівської областей площею 30 га. Методикою будівництва системи та експериментального дослідження передбачалось утворення єдиної конструкції, основою якої були водоакумулювальні траншеї довжиною 250 м на відстані 30 м одна від одної, які мали односторонній вихід у відкритий канал. У місцях понижень відстань між траншеями зменшували до 15 м одна від одної (рис. 1).

меліоративний земля перезволожений осушуваний

Для порівняння водорегулюючої дії даної системи поруч у двох місцях побудовано традиційний керамічний дренаж з відстанню 20 м між дренами. Водоакумулювальні траншеї викопували глибиною 1,5-1,8 м і заповнювали місцевим фільтрувальним матеріалом (соломою) на всю глибину траншеї. У тих місцях, де траншея виходила на бугор, солому засипали на глибину 0,9-1,1 м. З одного тракторного причепа засипали траншею довжиною 18-20 м. Вивчені також затрати часу, людських ресурсів, технологія проведення робіт з урахуванням особливостей рельєфу території. Проведене порівняння кошторисних витрат на дослідно-експериментальній ділянці - на будівництво дренажу із гончарних труб та водоакумулювальних дрен і контурів показало значну економію від застосування місцевих фільтрувальних матеріалів.

Надлишкова волога, внаслідок високих фільтраційних властивостей соломи, надходить у замкнений водоприймач (канал), що знаходиться в межах одного землекористувача. Для прискорення відведення надлишкової вологи у водоакумулювальні фільтраційні траншеї, між ними доцільно застосовувати кротування на глибину 0,6-0,7 м один раз на 2-3 роки.

Для розрахунку відстаней між водорегулювальними елементами даної конструкції систем автором запропоновано розрахункову модель (див. рис.1), яка грунтується на допущенні, прийнятому Янголем А.М. (1970), що при осушенні відкритими каналами та дренами поверхня грунтової води між ними у різні періоди наближається до кривої еліпса. В цьому разі рівняння вільної поверхні грунтової води матиме вигляд:

, (5)

де S - половина відстані між каналами, м; hо - відстань від осі еліпсу до рівня води в траншеї, м; h - висота спрацювання рівня в заданій точці; x, y - горизонтальна і вертикальна осі еліпсу.

Тоді остаточна модель визначення відстані між водорегулювальними траншеями матиме вигляд:

, (6)

де Т - глибина активної зони фільтрації, що дорівнює глибині траншеї, м; - вільна шпаруватість грунту; t - час пониження РГВ до норми осушення, діб.

, (7)

де hо - відстань від поверхні до розрахункової горизонтальної осі еліпсу; h2 - відстань від РГВ після досягнення норми осушення до горизонтальної осі еліпсу, м.

Проведені досліди показали, що за чотирирічний період спостережень метеорологічні умови були характерними для всебічної оцінки водорегулювальної дії досліджуваної конструкції системи. Три з чотирьох років були близькими до середньовологих, а їхня забезпеченість опадами становила 28-34%. Тому основний період оцінки запропонованих технічних рішень здійснювався в умовах, близьких до екстремальних. Незважаючи на це, рівні грунтових вод до початку посівного періоду, який у даній зоні відноситься до ІІІ декади квітня, досягли норми осушення і коливались у межах 60-70 см від поверхні як на дослідній, так і на контрольній ділянці.

Динаміка рівнів грунтових вод на експериментальному об'єкті на відстані 100 м від каналу, м