Согласно данным государственного доклада в сельскохозяйственном обороте находится около 9 млн га мелиорированных земель, в т. ч.4,3 млн га орошаемых и 4,8 млн га осушенных, из них 0,9 млн га в неудовлетворительном мелиоративном состоянии. При этом практически на всей площади осушенных земель, находящихся в неудовлетворительном мелиоративном состоянии (1,76 млн га), отмечен высокий уровень стояния грунтовых вод и неорганизованный отвод поверхностных вод, что нарушает сроки выполнения полевых сельскохозяйственных работ [1].

Гидромелиоративные системы создаются прежде всего для регулирования водного режима почв, параметры которого выступают основополагающим фактором развития растений. Двухстороннее регулирование водного режима посредством организации гидромелиоративных систем выступает главным условием перераспределения влаги на мелиорированных объектах [2].

Основным сдерживающим фактором широкого внедрения в практику водооборотных систем являются их элементы, способствующие нарушению экологического баланса природной среды, а именно задействование значительных площадей под создание водохранилищ и прудов-накопителей, которые в свою очередь создают условия для подтопления и заболачивания земель из-за процессов напорной фильтрации воды [3].

Целью работы являлся обзор водооборотных систем на основе гидромелиоративного рециклинга.

Материалы и методы. В ходе обзора водооборотных систем применялись аналитический, синтетический, сравнительный, логический и исторический методы. Информационную базу исследования составили материалы по водооборотным системам Б.С. Маслова [3], И.П. Айдарова [4], В.Н. Щедрина и др. [5].

Результаты и обсуждение. Повысить эффективность водооборотных систем, основанных на гидромелиоративном рециклинге, можно с помощью правильной организации поверхностного стока с орошаемых земель, реализации агромелиоративных мероприятий по накоплению и распределению атмосферных осадков и дренажных вод за счет регулирования водно-физических и агрохимических свойств почв.

Управление уровнями грунтовых вод на орошаемых землях позволяет регулировать влажность и влагозапасы почвы и, что особенно важно, влиять на величину урожайности выращиваемых культур.

Водооборотные системы с подпочвенным увлажнением рекомендуется применять на равнинных и слабоуклонных спланированных землях, имеющих уклоны поверхности до 0,005 и коэффициент фильтрации дренируемого слоя почвогрунтов 0,5 м/сут, при близком залегании грунтовых вод со сплошным выровненным рельефом местности, имеющим отдельные микропонижения не более 0,5 м [6-9].

Выделяют три типа водооборотных систем с подпочвенным увлажнением по плановому расположению регулирующей сети [6]:

подача воды в устья дренажных коллекторов посредством создания подпора в каналах проводящей сети;

подача воды в истоки дренажных коллекторов посредством создания подпора в каналах проводящей сети;

подача воды в истоки из увлажнительных коллекторов.

В пределах одного осушаемого массива возможно использовать все три типа водооборотных систем с подпочвенным увлажнением.

Водооборотные системы являются наиболее совершенными из осушительно-увлажнительных систем, позволяют аккумулировать поверхностный и дренажный сток с водосборной площади и использовать его для целей орошения. Данные системы наиболее полно решают проблемы охраны окружающей среды, предотвращая сброс сточных вод с сельскохозяйственных территорий в водотоки и водоемы. Использование сочетаний безуклонных и малоуклонных регулирующих дрен позволяет эффективно применять в работе осушительные и увлажнительные элементы в совокупности, тем самым усовершенствовать конструкцию системы в целом и значительно упростить процесс управления использованием средств автоматизации. Рассматриваемая конструкция водооборотной системы основывается на применении безуклонных и малоуклонных дрен в качестве регулирующей сети, а проводящих каналов - для отвода воды при осушении или ее подачи при увлажнении. Основным преимуществом данных систем является возможность увеличения дины дрен до 1200 м и снижения требуемого напора над устьем дрен при увлажнении до 0,4 м. Увеличение протяженности дрен способствует росту орошаемых массивов до 500 га и равномерности водного режима в их пределах [10-12].

Условно описанные водооборотные системы подразделяют на три типа [13-15]:

системы с дренажно-коллекторной сетью;

бесколлекторные дренажные системы из сквозных дрен;

системы с бесколлекторной дренажной закольцованной сетью.

Для систем дренажно-коллекторного типа рекомендуется использовать пластмассовые трубы увеличенного диаметра (75-100 мм). В состав данной системы входят магистральные и проводящие каналы, выводные и собирательные коллекторы с регулирующими дренами.

Системы с бесколлекторной дренажной закольцованной сетью формируются из труб увеличенного диаметра. Закольцованность всех регулирующих дрен и двойной выход каждой дрены в открытые каналы обеспечивают высокую надежность этих систем.

В связи с большой протяженностью безуклонных и малоуклонных регулирующих дрен расходы воды в устьях дрен при осушении и увлажнении достигают 7-9 л/с, что обуславливает применение дренажных труб диаметром 125-150 мм (рисунок 1). Для оптимизации работы системы предложено использовать переменный диаметр дренажных труб, при этом он подбирается из расчета обеспечения необходимой пропускной способности [16].

1 - магистральный канал; 2 - собирательные каналы;

3 - регулирующие дрены; 4 - место смены диаметра;

МК-1, МК-2 - магистральный канал; d - диаметр дренажных труб

Рисунок 1 - Схема регулирующей сети из малоуклонных и безуклонных дрен с использованием по длине дренажной линии трубок переменного диаметра

Также водооборотные системы можно разделить на группы в зависимости от входящих в них конструктивных элементов [17]:

с двумя прудами-накопителями и двумя насосными станциями;

с двумя прудами-накопителями и одной насосной станцией;

с одним прудом-накопителем и одной насосной станцией;

с вертикальным дренажом;

с грунтовым водохранилищем;

с колодцами-накопителями;

с коллекторами и дренами-накопителями.

Рассмотрим каждый тип водооборотных систем подробнее. Так, водооборотные системы с двумя прудами-накопителями и двумя насосными станциями применяются в том случае, когда невозможна самотечная подача воды из прудов-накопителей. Транспортирование дренажного и поверхностного стока из мелиоративных каналов осуществляется с помощью первой насосной станции, располагающейся на более высоких отметках, чем вся дренажная сеть. Вторая насосная станция осуществляет подачу воды из второго пруда-накопителя в водопроводящую сеть водооборотной системы. Описанное техническое решение позволяет оперативно регулировать отвод и подачу воды с помощью автоматизации процесса и максимально исключить присутствие людей.

В условиях возможности создания зон с самотечным режимом возможна организация водооборотных систем с двумя прудами-накопителями и одной насосной станцией. В местах естественного понижения строятся пруды-копани, которые концентрируют в себе объемы дренажного и поверхностного стока с водосборной площади. В данном случае отпадает необходимость организации второй насосной станции, а в функции второго пруда-накопителя добавляется выравнивание работы насосной станции.

Водооборотные системы с одним прудом-накопителем и одной насосной станцией (рисунок 2) организуются тогда, когда возникают условия для накопления и самотечной подачи воды из пруда-накопителя на увлажнение.

При этом насосная станция должна осуществлять подачу воды в увязке с притоком воды из магистрального канала и вода в пруду-накопителе должна находиться выше ее уровня в каналах, посредством которых производится подача воды в дренажную сеть для повышения уровня грунтовых вод с целью увлажнения почвы.

НЛК - нагорно-ловчие каналы; МК - магистральные каналы; К - канал;

РС - регулирующие сооружения на канале; НС - насосная станция

Рисунок 2 - Водооборотные системы с одним прудом-накопителем и одной насосной станцией

Рассматриваемая система легка в управлении и экономически более выгодна в сравнении с описанными выше, однако она имеет ряд недостатков, таких как неравномерность работы насосной станции и необходимость значительного обвалования дамбы пруда-накопителя при неблагоприятных условиях рельефа.

Водооборотная система с вертикальным дренажом (рисунок 3) используется в благоприятных гидрогеологических условиях, при залегании грунтовых на глубине не менее 30 м [18]. В качестве примера рассмотрим осушительно-увлажнительную систему, которая позволяет осуществлять осушение и орошение с помощью дождевальных агрегатов. Они подключаются к вертикальным скважинам, в которые осуществляется сток дренажных вод. Как показывают исследования авторов, одна дренажная скважина, работающая в системе вертикального дренажа, обеспечивает осушение на площади 40-80 га и более. Продолжительность работы скважины в режиме осушения весной не превышает 12-18 сут, за весь вегетационный период - не более 30-40 сут.

1 - дренажные скважины; 2 - подземные трубопроводы; 3 - зона орошения; 4 - магистральный канал; 5 - подпорные сооружения

Рисунок 3 - Водооборотная система с вертикальным дренажом

В случае если глубина заложения грунтовых вод незначительна, предложено использовать водооборотные системы с грунтовыми водохранилищами [19, 20]. Предлагается горизонтальный дренаж прокладывать по профилю на глубинах до 3 м. Подводящие коллекторы осуществляют сброс воды в колодец, из которого производится забор воды непосредственно дождевальной машиной. При этом накопительной емкостью выступает осушенная грунтовая толща над дренами. Особенностью данных систем является то, что при благоприятных гидрогеологических условиях грунтовые воды, собираемые регулирующими дренами, при помощи циклонов и передвижных насосных станций подаются в дождевальную машину, а в режиме отвода дренажного стока она функционирует в самотечном режиме. Такие системы нашли применение при регулировании водного режима земель в пределах пойм рек, плоских низменностей с микропонижениями менее 2 м.

Водооборотные системы с колодцами-накопителями используются для распределения воды в пределах поля [20-24]. В этом случае дрены располагаются лучеобразно по отношению к подземным колодцам-накопителям. В весенний период дренажный сток отводится, как обычно, через коллектор в водоприемники, а в летний период используется для орошения. Периодичность отбора воды из колодца-накопителя находится в прямой зависимости от модуля дренажного стока. Параметры колодца-накопителя формируются с учетом диаметра и протяженности труб, количества лучей.

Водооборотные системы с коллекторами и дренами-накопителями (рисунок 4) применяются в любых дренажных системах при использовании дренажного стока для орошения. Они также позволяют регулировать норму отвода дренажного стока в течение вегетационного периода.

1 - колодец; 2 - коллектор-накопитель; 3 - дрена-накопитель; 4 - водоприемник; 5 - канал

Рисунок 4 - Водооборотная система с коллекторами-накопителями

Коллекторы и дрены-накопители можно устраивать под обычным коллектором или дреной в пористой засыпке [25]. При этом трубки укладывают на полиэтиленовую пленку, которой оборачивают кладку трубок сплошь или внахлест. В ней делают отверстия, через которые поступает грунтовая вода. В случае больших поперечных сечений накопительная емкость работает как открытый канал. При этом все колодцы и коллекторы соединены между собой, образуя общую накопительную емкость.

Из колодцев вода забирается на орошение с помощью дождевальных машин, так же как и избыточная вода сбрасывается в канал из накопительных емкостей.

Одним из примеров использования данного подхода является применение указанных водооборотных систем в качестве регулирующей сети, которая была разработана в НУВХП под руководством д-ра техн. наук проф.Н. Н. Ткачука. Принцип работы данной конструкции заключается в том, что дрены в плане размещаются на различных глубинах, это позволяет регулировать отвод грунтовых вод при их колебаниях в течение года [25].

Как показал анализ, водооборотные системы являются одним из высокотехнологичных видов мелиораций в аридной зоне. Регулирование водного режима почв на таких системах позволяет снизить риск переувлажнения почвы в различные периоды года, а также предотвратить пересушивание почвогрунтов в засушливые периоды с помощью орошения [26].

Возможное сочетание методов и способов орошения и отвода дренажного стока в единой водооборотной системе на основе гидромелиоративного рециклинга представлено на рисунке 5 [26].

Анализ предложенной классификации со всей очевидностью позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на полярность реализуемого при осушении и орошении функционального воздействия водооборотных систем на водный режим почв, они представляют собой целостную мелиоративную систему многопланового применения.

Природно-географические условия обуславливают выбор методов и способов отвода дренажного стока и орошения (рециклинга). К природно-географическим условиям работы водооборотных систем относят гидрогеологические, гидрологические и геоморфологические. Чаще всего при выборе типа водооборотной системы опираются на тип отвода дренажного стока, так как этот фактор является основополагающим, строительство дренажа - самым дорогостоящим и средоформирующим этапом создания таких систем [26, 27].

Рисунок 5 - Функциональная схема работы водооборотных систем на основе гидромелиоративного рециклинга