Обґрунтування необхідності та сучасні підходи до оптимізації конструкцій осушувальних систем з урахуванням рельєфу місцевості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

ОБҐРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ТА СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО ОПТИМІЗАЦІЇ КОНСТРУКЦІЙ ОСУШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ З УРАХУВАННЯМ РЕЛЬЄФУ МІСЦЕВОСТІ

Коптюк Р.М., асистент,

Рокочинський А.М., д.т.н., професор

м. Рівне

Анотація

Розглянуті головні передумови щодо необхідності оптимізації конструкцій осушувальних систем з урахуванням рельєфу місцевості.

The basic preconditions of designs optimization necessity of drying systems in view of a lay of land are considered.

Меліорація земель завжди відігравала важливу роль в системі сільськогосподарського виробництва. Вона є одним з головних напрямків інтенсифікації сільського господарства і одним з основних факторів підвищення продуктивності земельних угідь, оскільки в умовах обмеженості якісних земельних ресурсів існує єдиний шлях подальшого зростання продовольчого фонду - з кожної одиниці земельних угідь отримувати все більше продукції. Метою меліорацій повинно бути не тільки збільшення сільськогосподарської продукції, але й збереження та покращання родючості грунтів за умови раціонального використання земельних, водних й інших ресурсів і охорони навколишнього середовища.

Слід зазначити, що розвитку меліорацій в Україні взагалі, і в зоні осушення зокрема, притаманні всі загальні об'єктивно зумовлені як позитивні, так і негативні тенденції. В першу чергу, це стосується того, що широкомасштабний розвиток меліорацій пов'язаний зі значними капіталовкладеннями, дуже відчутними для економіки будь-якої країни, але отриманий ефект при цьому складає в кращому випадку 60...70% від проектного. Головною причиною є недосконалість існуючих методів проектування і розрахунку меліоративних систем. Прийняті проектні рішення за рівнем надійності, відповідно вартості, перевищують можливий рівень отриманого ефекту у вигляді врожаю та екологічних показників. Недосягнення проектної ефективності меліорацій визначається нестачею наших знань про результати взаємодії меліоративної діяльності людини з природними процесами та їх урахування при проектуванні. На меліорованих землях і прилеглих до них територіях розвиваються в непередбачуваних масштабах процеси з негативними явищами, які різко знижують ефективність меліорацій. Більш того: намагання отримати за рахунок меліорацій максимум сільськогосподарської продукції без урахування вимог охорони оточуючого середовища привело в ряді випадків до кризових ситуацій в області екології. Однак, попри це, подальший розвиток меліорацій повинен відбуватись, але на принципово новому рівні, що забезпечує не тільки високу та стійку ефективність сільського господарства, а й екологічну стійкість.

Разом з необхідністю підвищення економічної ефективності осушувальних меліорацій, сьогодні надзвичайно гостро стоїть проблема обгрунтованості меліоративних заходів за екологічними вимогами. Розв'язання такої складної міждисциплінарної проблеми можливе тільки завдяки здійсненню на практиці прийнятої сучасної концепції розвитку меліорацій взагалі, яка грунтується на оптимізації меліоративних режимів сільськогосподарських угідь, а також технологічних та конструктивних рішень з їхнього забезпечення (І.П.Айдаров, О.І.Голованов,Ю.М. Никольський, 1990; В.Є. Алексеєвський та ін., 1993-1996; П.І. Коваленко, 1992-2000; М.І. Ромащенко, 1998-2000; О.В. Скрипник, 1992-1998; Б.Б. Шумаков,1996; А.В. Яцик,1998-2000).

Таким чином, ще на передпроектній стадії оцінюється порівняльна ефективність застосування різних технологій водорегулювання осушуваних земель у конкретних природно-агро-меліоративних та рельєфних умовах об'єкта. Відповідно це дасть змогу визначити можливі варіанти проектних рішень щодо типу та конструкції гідромеліоративної системи в заданих умовах. За вибраними варіантами технічних та технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель, визначаються їх основні питомі техніко-економічні показники (проектна вартість системи, експлуатаційні витрати тощо).

Проекти будівництва й реконструкції меліоративних об'єктів повинні передбачати безпосередній вплив меліоративної діяльності на всі аспекти від її реалізації. А тому кардинальне розв'язання такої проблеми неможливе без більш загального, порівняно з традиційним, підходу до обґрунтування направленості, складу та оцінки ефективності меліоративних об'єктів взагалі. При проектуванні меліоративних систем надзвичайно важливо правильно визначити їх параметри та параметри складових технічних елементів систем (регулюючої мережі, провідної мережі, регулюючих гідротехнічних споруд). Проте на параметри меліоративних систем, параметри складових технічних елементів систем та кількість і розташування регулюючих гідротехнічних споруд і ефективність їх роботи разом з іншими чинниками впливає складність формування рельєфу, що, в свою чергу, впливає на вартість системи та її загальну еколого-економічну ефективність.

Практика показала, що неврахування достатньою мірою нерівномірності рельєфу в існуючих методах проектування і розрахунку меліоративних систем є однією з причин недосягнення проектної ефективності меліорацій. За нормативом (ДБН В.2.4-1-99. Меліоративні системи та споруди) додаткове зволоження (попереджувальне і зволожувальне шлюзування) застосовується в грунтах з коефіцієнтом фільтрації не менше 1,0 м/добу при ухилах поверхні до 0,005.

Але на території з розвинутим рельєфом заданий рівень ґрунтових вод підтримується лише на незначній частині меліорованого масиву. В пониженнях місцевості може мати місце вихід ґрунтових вод на денну поверхню, а на підвищеннях глибина залягання ґрунтових вод значно перевищує норму осушення. Такі умови формування рельєфу вимагають проектування додаткових гідротехнічних споруд, які, в свою чергу, збільшують вартість меліоративної системи, але не завжди дають змогу досягти поставленої мети.

Аналіз існуючих об'єктів показав, що вже при похилі 0,002 не досягається необхідний рівень вологозабезпеченості сільськогосподарських культур при застосуванні попереджувального та зволожувального шлюзування на значній частині осушуваних земель, що, в свою чергу, впливає на зниження врожаю та загальну ефективність меліорацій.

Як відомо, геологічна будова виявляє значний вплив на водний режим території. Найбільш заболочені великі впадини і пониження земної поверхні, складені потужною товщею осадових порід, в які стікають поверхневі та підземні води з прилеглих височин. Ці води є додатковими до атмосферних опадів джерелами надлишкового зволоження. Геологічні умови визначають рельєф місцевості, ступінь його розчленованості та природної дренованості території, а також гідрогеологічні умови.

Рельєф місцевості також істотно впливає на заболоченість ґрунту. Його прояви особливо доступні візуальним спостереженням. У зоні (регіоні) надлишкового зволоження менше заболочені підвищені елементи рельєфу (водорозділи, круті схили), з яких атмосферні опади стікають у вигляді поверхневого стоку, перезволожуючи, тим самим, нижче розташованої території. Найбільш заболочені безстічні, слабко-проточні пониження та безпохилі рівнини, на яких застоюються поверхневі води, особливо при недостатній природній дренованості території.

Природна дренованість характеризується густиною річної мережі, її глибиною, похилами поверхні землі, водопроникністю ґрунтів та порід, що її підстиляють. Заболоченість території тим менша, чим більша густина річної мережі, чим глибші річки і ручаї, чим більш проникні ґрунти. Істотний вплив виявляє і похил поверхні землі: чим він менший, тим більша її частина зазнає перезволоження і заболочення.

Літологічні умови характеризують будову ґрунтів і порід, що їх підстиляють, які впливають на формування надлишкової вологи. Добре проникні ґрунти (піски, супіски) рідко бувають надлишково зволоженими, оскільки атмосферні опади швидко в них всмоктуються і не перезволожують грунт. Проте на важких ґрунтах (глина, суглинки), особливо при несприятливих умовах для поверхневого стоку, вода застоюється і тривалий період ґрунт перезволожений. При неоднорідній літологічній будові, коли добре проникні ґрунти перешаровуються з погано проникними, на останніх, як на водоупорах, вода на тривалий період застоюється, формуючи безстічну верховодку. На болотах надлишкова зволоженість і характер її формування залежать від будови ложа болота (пологе або круте), прилеглих схилів, що виливає на інтенсивність водно-мінерального живлення болотних вод.

Гідрогеологічні умови характеризують перезволоженість ґрунту за ознакою залягання рівня ґрунтових вод над водоупором, який формується за рахунок поглинутих атмосферних опадів.

Сучасний стан і перспективи розвитку осушувальних меліорацій в зоні надмірного зволоження України переконливо свідчать про те, що проблема екологізації меліоративного виробництва, перш за все, тісно пов'язана з проблемою оптимізації меліоративного режиму осушуваних земель, в тому числі, і з урахуванням рельєфу місцевості, оскільки саме він в кінцевому підсумку може визначати загальний еколого-економічний ефект від реалізації меліоративних заходів на осушуваних землях з розвиненим рельєфом.

Основним завданням меліоративних заходів у західних областях україни було пониження рівнів ґрунтових вод з метою найповнішого регулювання водного режиму території. на підставі існуючої практики експлуатації осушувальних систем, рівневий режим ґрунтових вод є результуючим кількісним вираженням чинників, які обумовлюють формування гідрогеолого-меліоративної обстановки. теоретичні і методичні основи вивчення режиму ґрунтових вод викладені в працях м.е.альтовського, е.а.зальцберга, б.с.маслова, м.ф.козлова та ін. 4,5.

У розвиток досліджень, започаткованих в україні для зони надмірного та нестійкого зволоження кафедрою гідромеліорацій нувгп, були розроблені наукові принципи, методи і моделі оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель при будівництві, реконструкції та експлуатації меліоративних об'єктів, які ефективно працюють при малих ухилах рельєфу місцевості до 0,0005 [7, 8, 9, 11 та ін.].

На її основі виконуються прогнозні водобалансові розрахунки, які дають змогу визначити ефективність застосування прийнятих до розгляду технологій водорегулювання, необхідні поливні та зволожувальні норми, кількість і строки проведення зволожувальних заходів, загальну потребу у воді для зволоження осушуваної території щодо періодів вегетації розрахункової забезпеченості й інші показники, необхідні для розрахунку елементів регулюючої та провідної мережі системи відповідного типу і конструкції.

Тому в розвиток існуючих підходів необхідно розробити, в першу чергу, модель оптимізації типу та конструкції осушувальної системи та модель водного режиму і технологій водорегулювання осушуваних земель з урахуванням рельєфу місцевості, що матимуть певні відмінності від вже існуючих методик. На стадії проектування потрібно виконувати оцінку нерівномірності рельєфу осушуваних масивів, яка, в свою чергу, впливає на формування нерівномірності водного режиму осушуваних земель. На основі особливостей формування водного режиму слід диференційовано визначати площі осушуваного масиву, на яких меліоративна система буде працювати в режимі осушення, попереджувального шлюзування чи підгрунтового зволоження.

Якщо в існуючій методиці [4, 7, 8, 9, 10] розглядається зміна балансу продуктивних запасів вологи в розрахунковому шарі грунту і грунтові води виступають як фон, то в моделі водного режиму з урахуванням рельєфу місцевості необхідно розраховувати баланс продуктивних запасів вологи з урахуванням можливості виникнення поверхневого стоку та балансу ґрунтових вод, який змінюється при різних технологіях водорегулювання.

Оскільки сформульоване завдання є надзвичайно складним через необхідність аналізу значної кількості змінних характеристик щодо клімату, водного режиму, технологій водорегулювання, продуктивності осушуваних земель тощо, доцільно його реалізувати на засадах застосування сучасних високоінформативних комп'ютерних технологій.

Сучасною методологічною основою та, одночасно, універсальним технічним інструментом, який дозволяє удосконалювати практику проектування складних об'єктів і систем, що сьогодні успішно використовується і розвивається практично в усіх галузях науки, техніки і промисловості, є системи автоматизованого проектування (САПР). При цьому автоматизація проектування природним чином доповнює передуючу їй автоматизацію виробничих процесів та автоматизацію управління й організацію управління (АСУ), що стають сьогодні реальністю.

У структурному відношенні САПР представляє собою організаційно-технічний комплекс, що складається з великої кількості взаємозв'язаних і взаємодіючих компонентів. Головною функцією САПР є здійснення автоматизованого проектування об'єктів та їх складових елементів на основі застосування математичних й інших моделей, автоматизованих проектних процедур і засобів обчислювальної техніки.

Застосування САПР при проектуванні меліоративних систем потребує, в першу чергу, уточнення базових проектних процедур, що пов'язане з вибором найкращого проектного рішення на багатоваріантній основі. У свою чергу, загальна технологія проектування складних об'єктів, процесів і систем на багатоваріантній основі передбачає, порівняно з відповідно існуючими в практиці проектування меліоративних систем на осушуваних землях, реалізацію наступних базових процедур, таких як попереднє (пошукове) проектування шляхом вибору й обгрунтування можливих варіантів проектних рішень в умовах реального об'єкта.

Одна з головних цілей проектування полягає в пошуку оптимального проектного рішення з вибраної сукупності можливих варіантів. Сутність оптимізації при цьому зводиться до пошуку найкращого (з можливих) проектного рішення з урахуванням нерівномірності рельєфу, яке дає мінімум (максимум) деякої цільової функції, що характеризує загальну (комплексну) ефективність об'єкта, що проектується. Отже для реалізації оптимізації головною умовою є наявність альтернатив, тобто сукупності можливих варіантів проектних рішень щодо природно-агро-меліоративних умов та умов формування рельєфу реального об'єкта.

Проектування меліоративних систем на осушуваних землях за вибраними технологіями водорегулювання на них виконується залежно від природно-кліматичних, рельєфних, грунтових, гідрогеологічних, агротехнічних та інших умов об'єкта, які оцінюються за результатами інженерних вишукувань проектною організацією. У зв'язку з цим, при проектуванні меліоративних заходів, як правило, виникає значна кількість різних за технічними та технологічними рішеннями варіантів, які визначально впливають як, перш за все, на економічну, так і екологічну ефективність від їхньої реалізації.

Технологічні рішення щодо способів, режимів та схем водорегулювання, враховуючи всі ці варіанти проектних рішень, забезпечують відповідну кількість та якість отримуваної сільськогосподарської продукції, тобто економічний ефект від реалізації гідромеліоративних заходів, а також відповідний екологічний ефект. А тому адекватна порівняльна оцінка загального еколого-економічного ефекту дозволить вибрати спочатку найкращий варіант з можливих альтернативних рішень та визначити в подальшому абсолютну ефективність проекту в цілому.

Тому головною метою наших досліджень є удосконалення методів проектування і розрахунку осушувальних систем з урахуванням рельєфу місцевості на еколого-економічних засадах.

Для досягнення такої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- аналіз та теоретичне узагальнення наявних підходів щодо оптимізації проектних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах з урахуванням нерівномірності рельєфу;

- аналіз, узагальнення та визначення характерних особливостей рельєфу місцевості за проектами реальних об'єктів осушувальних систем гумідної зони України;

- розробити принципи побудови та реалізації моделі оцінки нерівномірності рельєфу;

- розробити принципи побудови та реалізації моделі оцінки водного режиму та технології водорегулювання осушуваних земель з урахуванням рельєфу місцевості;

- визначити функцію зв'язку між нерівномірністю рельєфу осушуваних земель та формуванням водного режиму, економічного та екологічного ефекту в заданих умовах;

- розробити принципи побудови та реалізації моделі оптимізації типу та конструкції системи з урахуванням нерівномірності рельєфу;

- виробнича перевірка, впровадження та оцінка ефективності результатів досліджень.

На рис.1 представлена структурна схема проведення досліджень щодо удосконалення методів проектування, розрахунку й оптимізації типу та конструкції осушувальних систем на еколого-економічних засадах з урахуванням нерівномірності рельєфу.

Для визначення типу і конструкцій меліоративних систем за розроблюваною методикою обгрунтування різних можливих технологій водорегулювання залежно від природно-агро-меліоративних умов об'єкта осушення на багатоваріантній основі, необхідно враховувати рельєф місцевості, що може істотно впливати на формування водного режиму та відповідної продуктивності сільськогосподарських угідь.

Таким чином, розробка проектів нового будівництва й реконструкції осушувальних систем з урахуванням нерівномірності рельєфу місцевості й дотриманням економічних та екологічних умов дасть змогу підвищити, перш за все, загальну еколого-економічну ефективність реалізації осушувальних меліорацій в умовах розвиненого рельєфу місцевості.

Література

меліорація рельєф осушувальний сільськогосподарський

1. Шумаков Б.Б. Мелиорация в ХХ 1 веке // Мелиорация и водное хозяйство. - 1996.- №3.- С.4-6.

2. Лазарчук М.О., Рокочинський А.М., Черенков А.В. Проектування осушувальних систем з основами САПР: Практикум.- К.: ІСДО, 1994.- 408 с.

3. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированого проектирования. - К.: Вища школа, 1984. - 296с.

4. Рокочинский А.Н. Методы оценки, прогноза и оптимизации управления водным режимом осушаемых земель // Экологические проблемы при водных мелиорациях. - К., 1996.- С.67-76.

5. ДБН. В 2.4-1-99 Меліоративні системи та споруди. - К., 1999. - 174 с.

6. Рекс Л.М. Системные исследования мелиоративных процессов и систем. - М: Изд-во "Аслан", 1995.- 192 с.

7. Рокочинський А.М. Принципи обгрунтування розрахункової забезпеченості при проектуванні осушувальних систем // Вісник Рівненського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Рівне, 1999. - Вип.2. - Ч.3. - С.173-177.

8. Рокочинский А.Н. Методы оценки, прогноза и оптимизации управления водным режимом осушаемых земель // Экологические проблемы при водных мелиорациях. - К., 1996.- С.67-76.

9. Технические указания по проектированию на ВМ расчетнх режимов увлажнения сельскохозяйственнх культур на системах двустороннего действия Украинской ССР: НТД 33.63-089-89 / Лазарчук Н.А., Рокочинский А.Н., Черенков А.В., Нагорная В.П., Дорошук А.Н.- Ровно, 1990.- 53 с.

10. Технические указания по разработке с помощью ЭВМ системных планов водопользования для осушительно-увлажнительных систем Украины: НТД 33-04-01-91.- К.: Укргипроводхоз, 1991.-40 с.

Размещено на Allbest.ru