Гидротехнические мелиорации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Уральский государственный горный университет”

Инженерно-экономический факультет

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Тема: «Гидротехнические мелиорации»

Екатеринбург 2015

Содержание

Введение

1. История гидротехнических мелиораций

2. Основные понятия гидравлики и гидрологии

2.1 Круговорот воды в природе

2.2 Образование болот, их типы и эволюция

3. Основные виды гидротехнической мелиорации

3.1 Осушение

3.2 Орошение

3.3 Обводнение

Литература



Введение

Слово "мелиорация" происходит от латинского «улучшение» и включает систему мероприятий, направленных на улучшение со стояния земель. Последнее может осуществляться различными методами и приемами. В зависимости от этого получаем название и вид мелиорации. В условиях избыточного увлажнения почв применяют осушение, а при недостатке влаги - орошение. Это гидротехнические мелиорации.

Гидротехнические мелиорации представляют собой комплекс мероприятий, направленных на регулирование водного режима почв и улучшения режима питания путем осушения избыточно увлажненных земель и орошения земель с недостаточным увлажнением. Чаще всего конечными целями гидротехнических мелиорации в лесном хозяйстве являются увеличение продуктивности лесных земель, повышение санитарно-гигиенических и рекреационных функций лесов и устойчивости их к неблагоприятным воздействиям. В сочетании с лесохозяйственными, лесокультурными и другими мероприятиями гидромелиорации служат мощным средством достижения этих целей. Кроме того, они создают благоприятные условия для лесовосстановления, проведения лесохозяйственных и других работ на осушенных землях, для выращивания качественного посадочного материала в лесных питомниках, для транспортного освоения территории, увеличивают лесистость, повышают урожайность земель сельскохозяйственного назначения и в целом способствуют интенсификации лесного хозяйства. Гидротехнические мелиорации позволяют придать водному хозяйству лесных и парковых территорий комплексный характер, т. е. использовать водные ресурсы их для обводнения и орошения, противопожарных мероприятий, улучшения санитарно-гигиенических и эстетических свойств лесов и парков



1. История гидротехнических мелиораций

Гидротехнические мелиорации имеют давнюю историю. Самый древний вид гидромелиорации - обводнение и орошение. По сообщению Геродота, царь Мин (Менес) около 3000 лет до н. э. пост роил на Ниле плотину высотой 15 м и отвел реку в канал.

Работы по осушению земель начали проводить довольно давно. В России они впервые были осуществлены в начале ХVIII века в окрестностях Петербурга. Выполнялись они главным образом для улучшения вида посещаемых населением мест. Осушение лесных земель было впервые предпринято в России в 30-40-х годах XIX века. Наиболее значительные осушительные работы были выполнены в Лисинской лесной даче Лисинскоro учебного лесничества Петербургского лесного института. В частности, в l841-l843 годах здесь было осушено болото Суланда, где в настоящее время произрастает сосново-еловый древостой 1-11 класса бонитета. В l846 году воспитанник Петербургского лесного института И. r. Войнюков для 1 отделения Лисинской дачи (Хейновское болото) составил первый в мире проеrn осушения лесных земель на основе нивелировки местности, химических исследований почв, оценки состояния древостоя и прогноза ожидаемого эффекта осушения. Сопоставляя этот проект с проектами наших дней, можно увидеть в нем прообраз современного проектирования. На вы ставке в Париже проекте Войнюкова получил Золотую медаль. На осушенном по этому проекту Хейновском болоте в настоящее время про израстают хвойные древостои I-III класса бонитета.

Наибольшее развитие работы по осушению заболоченных земель получили в XIX веке, в 1873-l894 годах. В этот период работали две экспедиции по осушению болот - Западная под руководством генерала И. И. Жилинского и Северная, возглавляемая вице инспектором Корпуса лесничих И. К. Августиновичем. Западная экспедиция выполняла проектирование и строительство осушительных систем в Полесье, в Рязанской, Владимирской, Московской и Тверской губерниях. Северная проводила осушение в Олонецкой, Петербургской, Новгородской, Псковской губерниях и Прибалтике. Часть спроектированных и построенных осушительных систем сохранилась и действует до настоящего времени. В целом осушение земель продвигалось медленно. До середины ХХ века в лес ном фонде России было осушено около 300 тыс. а земель.

Наиболее интенсивно осушительные работы стали развиваться в конце 50 - начале 60-х годов ХХ века, а особенно после образования в 1965-1969 годах лесных машинно-мелиоративных станций (ЛММС). В настоящее время площадь осушенных земель в лесном фонде России составляет около 4 млн. га, общая же площадь заболоченных земель и болот - около 250 млн. га.

Большие работы по теории и практике гидромелиорации выполнены академиком Л. Н. Костяковым. Его многолетние исследования позволили подготовить учебник «Основы мелиораций», выдержавший шесть издании, последнее из которых было осуществлено в 1960 году. Многие положения в гидромелиоративной науке, при веденные в этой книге, не утратили своего значения и в настоящее время.

Неоценим вклад в гидромелиоративную науку, практику и под готовку кадров профессора Харитона Алексеевича Писарькова, проработавшего в Ленинградской лесотехнической академии около 45 лет. Писарьковым много сделано в области теории действия осушительных систем, выделены виды водного питания осуши тельных каналов, предложены формулы для расчета каналов и расстояний между осушителями, для определения коэффициентов фильтрации и др. На основе многолетних исследований в лесных насаждениях Лисино установлены нормы осушения для основных лесообразующих пород в зависимости от возраста древостоя и характера почв. Совершенствовался и учебный курс. Х. А. Писарьковым совместно с А. Ф. Тимофеевым в 1957 году был издан учебник по курсу гидромелиорации, переизданный в 1964 и 1968 годах. С приходом Писарькова на преподавательскую работу в Лесотехническую академию началось регулярное издание методической литературы для студентов высших учебных заведений. Ученики Писарькова развили идеи учителя, возглавив крупные научные коллективы.

Наиболее часто осушаемыми объектами являются болота. Стратиграфия болот и строение почвенного профиля отличаются от строения профиля минеральных земель. Своеобразна и их гидрология. Последняя в значительной степени разработана профессорами К. Е. Ивановым и В.Д. Лопатиным. Ими выделено наличие двух различных горизонтов в строении торфяной залежи - деятельного и инертного, в значительной степени определяющих сток с болот, величину понижения грунтовых вод и обеспечение нормами осушения.

Развитие гидромелиорации основывалось на исследованиях результатов осушения. Первые такие работы выполнены в Лисинском лесничестве лесничим Д. М. Кравчинским. Его выводы, полученные на основе изучения результатов осушения и опубликован ные в 1908-1912 годах, послужили основой для дальнейших исследований Х. А. Писарькова и П. И. Давыдова, выполненных на Постоянных пробных площадях в Лисина, и М. П. Елпатьевского в ЛенНИИЛХ. Вообще работы НИИ лесного хозяйства (ныне СПБНИИЛХ) - определенная эпоха в гидромелиоративных исследованиях. Существенна роль в этом профессора В. К. Константинова. Значителен вклад в гидромелиорацию института «Союзгипролесхоз» и, в частности, профессора Е. Д. Сабо. Его исследования в различных зонах России позволили уточнить оценку эффективности осушения. Сабо является пионером внедрения вычислительных машин в проектирование осушительных систем.

С течением времени исследования результатов осушения с эпизодических 2-З-летних перешли в стадию стационарных. Прекрасные стационары созданы учеником Х.А. Писарькова С. э. Вомперским - директором Института лесоведения РАН (Западно-Двинс кий стационар).

Стационарные исследования проводятся с 1961 года и кафедрой почвоведения и гидромелиорации C.-Петербургской лесотехнической академии под руководством проф. Б. . Бабикова. Сотрудниками кафедры создано в Ленинградской области три стационара: Ушакинский и Тосненский (см. форзац) в лесхозе Лисинского лесного колледжа и Малиновский в Лисинском учебно-опытном лесхозе.

В настоящее время гидромелиорация является важным направлением в лесной отрасли, обеспечивающим повышение продуктивности лесов и стабилизацию их состояния. Не обойтись без гидромелиорации и в садово-парковом строительстве, и в ландшафтном хозяйстве.



2. Основные понятия гидравлики и гидрологии

Гидравлика рассматривает законы равновесия и движения жидкостей. Гидравлика - раздел гидромеханики, который изучает законы равновесия (гидростатики) и движения (гидродинамики) жидкости и разрабатывает способы применения этих законов к решению практических задач. Законы гидравлики используются при проектировании мелиоративных каналов, гидротехнических сооружений (плотин, водосливов) и водопроводов

Гидрология - это наука, которая изучает воды земного шара, их режим, движение и деятельность в различных географических условиях. Объектами гидрологии считаются океаны, моря, реки, водохранилища, болота, ледники, почвенные и подземные воды. Гидрогеология изучает закономерности режима подземных вод. Значительную роль играет в гидрологии гидрометрия, где основное внимание уделяется разработке методов измерения и оценке качества наблюдений за состоянием режима рек, водохранилищ, болот и озер. Гидротехника - наука, изучающая способы хозяйственного использования водных ресурсов и мероприятия по борьбе с негативным воз- действием водной стихии.

2.1 Круговорот воды в природе

Более 70% поверхности земного шара занимают океаны и моря, около 3% - воды озер и рек. Антарктида и Гренландия сплошь покрыты льдом и снегом. Ледники распространены в горах и на полярных островах. Покрытая ледниками часть суши достигает 16 млн. км 2 , т. е. 11% ее поверхности. Значительная часть суши переувлажнена, болота и заболоченные земли занимают 4 млн. км. Большие запасы воды на нашей планете создают впечатление о ее неисчерпаемости. Однако следует знать, что гидросфера - это самая тонкая оболочка Земли. На воду во всех ее состояниях и во всех сферах приходится меньше 0,001 массы планеты. Разное состояние и различные качества воды, а также особенности ее круговорота на Земле приводят к тому, что лишь незначительная часть запасов воды оказывается доступной и пригодной для практического ее использования. К водным ресурсам относятся воды рек, озер, каналов, водохранилищ, болот, подземные воды, почвенная влага, воды (льды) горных и полярных ледников, воды морей, океанов, атмосферные осадки. Современные методы гидрологических исследований позволяют рассчитать суммарные объемы различных водных объектов, разных типов вод на Земле, а также оценить интенсивность круговорота воды и подсчитать компоненты годового баланса различных вод. Суммарный водный запас планеты достигает 1 454 643 тыс. км3 , в котором воды мирового океана составляют 93,3% (1 370 323 тыс. км3 ), далее идут подземные воды - 4,1% (60 000 тыс. км3 ), ледники - 1,6% (24 000 тыс. км3), почвенная влага - 0,005% и речные воды - 0,0001%. Наибольшие запасы пресных вод сосредоточены в природных льдах. Ледники занимают особое место в круговороте воды на Земле, так они сохраняют влагу в твердом состоянии на много лет. Запас всех поверхностных вод суши вместе с ледниками составляет около 25 000 тыс. км3 , что в 55 раз меньше объема океана. Самые большие запасы воды на нашей планете сосредоточены в ее недрах. Общие ресурсы вод во всех геосферах намного превышают объем открытого Мирового океана. Однако в чехле осадочных пород подземных вод содержится всего лишь 190 тыс. км3 , из них собственно к подземным межпластовым водам можно отнести только 60 тыс. км3 , в том числе наиболее доступных вод зоны активного водообмена до 4 тыс. км3 . Подземные воды формируются более сложными процессами, чем воды наземные и атмосферные. Известно, что в противоположность всем наземным водам подземные воды на нашей планете в основном термальные, высокотермальные и высокоперегретые. В верхних слоях земной коры в соответствии с геотермическим градиентом воды на глубинах 2,5-3,0 км становятся нагретыми до температуры 100о С и выше. 28 Поверхностные воды Земли находятся в непрерывном движении. Гидрологический цикл, или круговорот воды, связывает все водные ресурсы планеты в единую систему «океан - атмосфера - суша». Круговорот воды - сложный геофизический процесс, основными звеньями которого являются: испарение воды, перенос ее паров воз- душными потоками, образование облаков и выпадение осадков, поверхностный и подземный сток в океан. Круговорот воды - процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды на Земле, происходящий под влиянием солнечной энергии, силы тяжести, жизнедеятельности живых организмов, хозяйственной деятельности человека. В целом для всего земного шара существует только один основной источник прихода воды - атмосферные осадки и один источник расхода - испарение, которые примерно равны 525 тыс. км3 или 1030 мм в год. Различают малый и большой круговороты воды. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, возвращается в него в виде осадков. При большом круговороте вода, испарившись с поверхности океана, частично возвращается в него в виде осадков, а частично переносится на сушу, где также выпадает в виде атмосферных осадков, питая реки и водоемы, но в конечном итоге вновь воз- вращается в океан речным и подземным стоком. Наиболее низкоскоростной частью круговорота воды являются полярные ледники (8000 лет), что связано с тихим движением ледников и таянием льда. Наибольшей активностью, после атмосферной влаги, характеризуются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Это свидетельствует о быстрой их возобновляемости: на основе одной с лишним тысячи кубометров русловых вод в течение года получается в 40 раз больший объем.

Вот почему речная вода в естественных условиях всегда практически пресная и служит одним из источников водных ресурсов, следовательно, круговорот воды является по существу глобальным опреснителем вод. В геологический круговорот воды включается и биологический круговорот веществ. Растения всасывают воду из почвы, а затем испаряют ее (транспирация). Часть поглощенной растениями воды идет на построение органических веществ, которые, окисляясь, снова образуют воду (биологическое окисление). Любой живой организм поглощает и выделяет воду, используя при этом энергию, полученную зелеными растениями от солнечного света (фотосинтез). Таким образом, именно излучаемая в виде света энергия Солнца «вращает колесо» круговорота воды и других веществ.

2.2 Образование болот, их типы и эволюция

В формировании болот очень важное значение имеет сочетание основных водно-питательных факторов, определяющих специфические и своеобразные черты этих природных образований. Водоемы, леса, луга определяют их территориальную принадлежность, животный и растительный мир - особенности биоразнообразия и в совокупности - природу происхождения и трансформацию торфообразовательных процессов. Для болот характерно очень большое биоразнообразие растений, которые могут расти в различных условиях: от сухих песчаных до сильно обводненных торфяных почв или только в чисто типичных болотных условиях сильного увлажнения и обводнения почв.

Растительность болот является основной фитомассой формирования торфяной залежи: отмершие части растений попадают в анаэробные или полуанаэробные условия, микробная трансформация органических остатков приобретает консервационный характер, при котором значительная часть химических элементов остается в иммобилизованном состоянии и на длительные сроки выключается из биологического круговорота, еже- годно происходит накопление полуразложившейся органической массы в виде торфа, который и является одним из характерных признаков болота.

Болото - элемент географического ландшафта, который образовался под воздействием обильного увлажнения и гидрофильной растительности, обусловивших торфообразование.

Болотом принято называть площадь земной поверхности, которая характеризуется избыточным увлажнением верхних слоев почво- грунтов в течение большей части года, процессом торфообразования и болотной растительностью. В агропроизводственных целях болотом называется площадь со слоем торфа не менее 30 см, где развивается основная масса корневых систем сельскохозяйственных растений и на эту глубину производится обработка почвы.

Формирование болот может происходить:

- с притоком воды на данный участок местности из окружающих водных источников и застоем воды на этом участке на протяжении всего вегетационного периода;

- в случае преобладания атмосферных осадков над испарением при недостаточном стоке или отсутствия стока в течение вегетационного периода.

Основные факторы болотообразования.

1. На водоемах болота формируются в тех случаях, когда создаются условия для поселения, роста и развития растений-торфообразователей. В естественных условиях это происходит постепенно, за счет отложения на дне водоемов сапропелей (органических остатков планктона) и минеральных наносов. Со снижением глубины воды до 1,0-1,5 м в озерах по- являются камыш, тростник, рогоз и другие растения-гидрофиты, в результате чего происходит отложение торфа. Постепенно отдельные участки заторфовываются, процесс захватывает всю площадь озера, которое мелеет, на нем поселяются лилии, кувшинки, хвощи, осоки, и, как следствие, свободных водных пространств остается все меньше и меньше. Фактически все озеро заторфовывается, повсеместно активно заселяется сфагновыми мхами, кустарниками, деревьями, и озерное болото приобретает вид лесомохового состояния.

2. Реки, ручьи, водотоки являются вполне пригодными территория- ми образования болот в результате уменьшения скорости течения воды в них, что дает возможность расселения водозависимой растительности, источников постепенного накопления торфа. Эти случаи имеют место в результате обмеления рек и структурных изменений речного русла.

3. В бессточных или слабосточных понижениях на местах скоп- ления талых и дождевых вод поселяется множество гигрофитов, от- мечаются признаки торфонакопления, начинаются болотообразова- тельные процессы.

4. В северных зонах болотообразовательные процессы очень тес- но связаны с особенностями рельефа и массой атмосферных осадков, которые при ровном рельефе превышают испарение и сток в течение летнего сезона.

Болота классифицируются в зависимости от условий водно- минерального питания и произрастающей растительности, среди них выделяются три типа болот: низинные (61,1%), переходные (20,7%) и верховые (18,2%) от всей территории торфяников.



3. Основные виды гидротехнической мелиорации

Наряду с агролесомелиорацией, химической мелиорацией, культуртехнической работами, гидротехническая мелиорация способствует повышению плодородия почв и улучшению природных условий земледелия. Гидротехническая мелиорация даёт возможность не только регулировать водный режим почвы, но и влияет на её воздушный, тепловой, солевой и микробиологические режимы, обеспечивает устойчивость сельско-хозяйственного производства, позволяет производительно использовать земли.

Основные виды гидротехнической мелиорации: осушение, орошение и обводнение.

3.1 Осушение

Способы и методы осушения заболоченных земель

Мелиорация заболоченных лесных земель производится открытыми каналами. Осушение дренажем применяется в условиях лесо-питомников, парков, приусадебных территорий и площадей сельскохозяйственного пользования. Главной целью осушения является острая необходимость соблюдения оптимального для растений водного режима почв. В гидротехнических мелиорациях применяются 3 способа:

1) ускорение внутреннего стока (снижение грунтовых вод) с отводом избыточной воды через почвогрунты ниже основной массы корней;

2) отвод избыточной воды бороздами через слой почвы, где рас- положена основная масса корней древесных и травянистых растений;

3) ускорение поверхностного стока или отвод поверхностной воды.

Отвод избыточной воды через слой почвы и ускорение поверхностного стока сопровождаются затоплением водой корневых систем, что неблагоприятно сказывается на росте растений. Ускорение внутреннего стока через почвогрунты ниже корневой системы - наилучший способ осушения, хотя выбор этих способов зависит как от вида использования осушенной площади (с какой целью она осушается), так и от почвенных, гидрогеологических и климатических условий.

В лесных массивах объектом осушения являются заболоченные, оторфованные почвы, чаще всего с напочвенным моховым покровом. Поверхностный сток на таких территориях практически отсутствует.

Сфагновый очес и верхний слой торфа на этих почвах обладают сильной водопоглотительной способностью, и вода в этих условиях не выступает на поверхность, даже на неосушенных площадях. Таким образом, на лесных территориях применяется способ ускорения внутреннего стока с отводом грунтовых вод ниже корневых систем растений. При использовании площадей под лесные культуры про- изводится отвод воды через верхний почвенный горизонт. Способ ускорения поверхностного стока (отвода поверхностных вод) чаще всего применяется при осушении естественных и пастбищных луго- вых угодий.

Основные элементы гидромелиоративных систем

Гидромелиоративной осушительной системой называется совокупность гидротехнических, дорожных, эксплуатационных сооружений и агротехнических приемов регулирования водно-воздушного и питательного режимов для повышения плодородия почв.

В состав гидромелиоративной системы входят:

- оградительная сеть: ловчие и нагорные каналы, ловчие горизонтальные дрены, защитные дамбы, головной вертикальный дренаж и другие элементы, предназначенные для перехвата и отвода поверхностных и грунтовых вод, поступающих на осушаемую площадь со смежных площадей; она выполняет функции регулирующей сети при склоновом и частично при грунтовом и намывном типах водного питания;

- регулирующая сеть: горизонтальные (открытые или закрытые) дрены и собиратели, скважины, ложбины и другие устройства, обеспечивающие регулирование водновоздушного режима корневой зоны;

- проводящая сеть: магистральные каналы и коллекторы разного порядка, принимающие дренажные воды из регулирующей и ограждающей сети и отводящие ее в водоприемники; она связывает регулирующую и оградительную сети с водоприемниками;

- водоприемники: реки (в отрегулированном или естественном со-стоянии), озера, водохранилища, крупные водно-транспортные каналы; они служат для приема воды, собираемой с осушаемой территории;

- оросительная сеть: закрытые и открытые трубопроводы, дождевальные агрегаты, насосные станции, подпорные и другие сооружения, обеспечивающие орошение территорий в засушливый период;

- водообеспечивающая сеть: водохранилища, пруды, водоемы, подземные водозаборы, подводящие тракты с сооружениями, необходимые для накопления, забора и подачи воды на осушенные площади;

- гидротехнические сооружения на осушительной, увлажнительной и водоаккумулирующей сети (перепады, смотровые колодцы, шлюзы и другие сооружения), предназначенные для управления потоком воды при ее отводе и перераспределении;

- эксплуатационная сеть: эксплуатационные сооружения, устройства, здания, гидрометрические посты и другие сооружения, обеспечивающие контроль и надзор за работой всех звеньев осушительной системы;

- дорожная сеть: дороги, переезды, мосты и другие дорожные объекты, необходимые для беспрепятственного передвижения автотранспорта.

Осушительные системы существуют открытые (регулирующая сеть представлена открытыми каналами) и закрытые (регулирующая сеть представлена дренами, часть проводящей сети - коллекторами, подземными трубчатыми водоводами). Крупные проводящие и ограждающие каналы в обоих случаях всегда открытые.

По способу отвода осушительные системы выделяют самотечные (когда вода из проводящей и регулирующей сети отводится в водоприемник за счет энергии водного потока по уклону русла или с помощью машинного водоподъема) и технического осушения (когда вода из каналов откачивается насосами в водоприемник). По воздействию на водный режим осушаемой площади различают системы одностороннего действия (осушительная сеть служит для отвода избыточной воды) и двухстороннего действия (осушительно-увлажнительные системы).

Сооружения на осушительной сети

При проведении мелиоративных работ для эффективного использования земель необходимо предусматривать и проектировать:

- гидротехнические и дорожные сооружения, предназначенные для переезда (мосты, трубы-переезды, мосты-переходы, скотопрогоны);

- регулирующие сооружения (шлюзы, трубы-регуляторы);

- водопроводящие и сопрягающие сооружения (крепления дна и откосов, перепады, быстротоки, илоулавливатели);

- сооружения специального дорожного и противопожарного назначения (дороги, противопожарные водоемы, водохранилища, пруды).

Мосты (с расчетным расходом более 2,5 м 3 /сут) и трубы-переезды (с расходом до 2,5 м 3 /сут) строят в местах пересечения дорожного полотна с каналами, пешеходные мостики - на пересечениях просек с каналами.

Трубчатые переезды (длиной от 6 до 16 м, диаметром от 0,4 до 2 м) прокладывают под земляным полотном внутрихозяйственных дорог на каналах-собирателях и каналах-осушителях.

В местах прогона скота проектируются скотопрогонные ложбины. В песчаных грунтах ложбины устраивают планировкой поверхности, в торфянистых и глинистых - креплением дна и откосов камнем или деревянным настилом.

Шлюзы и трубы-регуляторы прокладывают для подъема уровня грунтовых вод и сбережения влаги, регулирования влажности почв, запасов воды, необходимых для хозяйственно-бытовых нужд и в противопожарных целях. Ширину отверстий шлюза и трубы-регулятора определяют расчетом на пропуск весенних паводков.

Перепады и быстротоки проектируют при значительных уклонах с учетом размывающих скоростей. На торфах устраивают деревянные, на минеральных грунтах - железобетонные перепады (высотой 0,5-1,5 м). Быстротоки - это закрепленные участки каналов длиной до 10 м. Уклоны каналов крепят камнем, бетонными плитами или фашинами.

Противопожарная организация территории.

Для борьбы с пожарами и их предупреждения на мелиоративной сети необходимо:

1) проведение в качестве противопожарных трасс уширенных просек вдоль каналов;

2) сооружение шлюзов, труб-регуляторов, поддерживающих водный режим.

Противопожарные водоемы проектируют в местах повышенной пожарной опасности на расстоянии 1 км друг от друга, вблизи дорог и просек, в местных понижениях, глубиной 2,0-3,7 м, шириной по дну 4-5 м, длиной по дну 4,7-10,3 м и более, длиной по верху 12,8-30,8 м. Горизонт воды должен быть ниже поверхности не менее чем на 0,5 м, полезная емкость водоема составляет 90-380 м 3 , откосы закладывают в зависимости от грунта.

При использовании пожарных водоемов для водопоя крутизну откосов проектируют при отношении (1 : 4)-(1 : 5). Их устраивают в русле канала или в стороне от него. Для наполнения водопоя из со- предельного осушительного канала прорывают соединительную траншею шириной по дну 0,5 м. гидротехнический мелиорация болото водный

Дороги на осушенных землях.

Внутрихозяйственная дорожная сеть улучшает условия эксплуатации и ухода за осушительной системой. Проектируют дороги самостоятельные, если направление полотна дороги не совпадает с прокладкой каналов; совмещенные дороги проводят вдоль каналов с его низовой стороны (вынимаемый грунт от разработки каналов идет в кавальеры, используемые под земляное полотно лесохозяйственных дорог). В лесопарковой зоне прокладывают пешеходные дорожки, устраиваемые разравниванием кавальеров и прикатыванием грунта.

При проектировании дорог количество пере- сечений с водотоками и каналами должно быть минимальным. При равнинном рельефе дороги проектируют по квартальным просекам. При ширине дорожного полотна 4,5 м на дорогах устраивают разъезды шириной 8 м и длиной 30 м.

Дренажные системы.

Дренаж - это такой способ осушения с применением водопроводящих подземных полостей (отверстий), называемых дренами, через которые избыточную воду собирают и отводят из почвы в проводящую сеть каналов. В зависимости от вида материалов дрены изготовляют преимущественно из труб: гончарно-керамических (дренаж гончарный), пластмассовых (пластмассовый), асбоцементных (асбо-цементный), бетонных (бетонный), деревянных (деревянный трубчатый), в некоторых случаях из жердей (жердяной), хвороста (фашин-ный), камня (каменный). Водопроводящие отверстия в почве иногда устраивают цилиндрическими полостями в виде кротовых ходов и щелей разных размеров (кротовый и щелевой дренажи).

Кротовый дренаж

Кротовые дрены укладывают на глубине 50-70 см, расстояние между ними допускается на минеральных почвах 3-10 м, на торфяных - 10-20 м с длиной дрен 100-200 м. В мелиоративных проектах кротовые дрены выводят в каналы или в дренажную сеть с фильт- рующей засыпкой. Кротовый дренаж применим только на некото- рых тяжелых минеральных почвах или на достаточно связанных торфах со степенью разложения 45-50%, срок службы кротового дренажа - до 3-5 лет.

Кротовые дрены имеют естественную основу, их прокладывают путем протаскивания сквозь грунт на определенной глубине от поверхности стального цилиндра с заостренным концом «дренера», образующего круглые полости в виде кротовых ходов. Кротовые дрены на минеральных, тяжелых почвах допускаются диаметром до 6-8 см, на торфяных почвах - диаметром до 20-30 см.

Основными элементами дренажной сети являются:

1) главный коллектор, который выводится в водоприемники (реку, ручей, овраг, канал, водосточную сеть);

2) внутрисистемные каналы, впадающие в главный коллектор;

3) дрены-осушители, впадающие в коллекторы. Коллекторы изготовляют из гончарных, бетонных или деревянных труб длиной до 1 км. Длина дрен-осушителей допускается до 100-200 м.

Виды дренажа по природным условиям

В зависимости от природных условий, целей дренирования и почвенно-климатических факторов выделяют следующие виды дренажа: систематический, выборочный, кольцевой, головной и береговой.

Систематический дренаж устраивают на площадях, подверженных избыточному увлажнению в одинаковой степени, при этом дрены размещают равномерно по всей площади. Закрытые дрены выполняют по поперечной схеме - параллельно или под острым углом к гидроизогипсам. Эти дрены эффективно перехватывают потоки грунтовых вод. Продольная схема применяется при уклонах поверхности менее 0,001. Обычно систематический дренаж устраивают в сочетании с открытыми каналами.

Выборочный, или частичный, дренаж применяют, если избыточное увлажнение наблюдается только на отдельных понижениях, в западинах, лощинах, тогда в них прокладывают несколько дрен. Для ускорения сброса поверхностных вод в западинах проводят поглощатели, через которые поверхностная вода собирается в дрены. Поглощатели представляют собой засыпку над дреной из щебня, песка, гравия и других фильтрующих материалов на глубину пахотного слоя.

Кольцевой дренаж используют для защиты от подтопления под- валов отдельных зданий или подземных сооружений, если за пределами замкнутого кольца не требуется понижения уровня грунтовых вод. Дрены устраивают вокруг защищаемых участков и выводят в ближайшие водоприемники (реки, овраги, сети ливневой канализации). При небольшой водосборной площади, расположенной в пределах замкнутого кольца, уровень грунтовых вод в замкнутом контуре должен устанавливаться на отметках наполнения воды в кольцевых дренах. Трассу кольцевого дренажа обычно приближают к наружной части защищаемого сооружения.

Головной дренаж применяют в тех случаях, если у верхней границы дренируемого участка имеется выход грунтовых вод, что часто наблюдается в поймах рек. Для перехвата этих вод изготовляют головные или ловчие дрены, которые закладывают на глубине, доходящей до водоупора, перпендикулярно потоку грунтовых вод. Головной дренаж устраивают для перехвата грунтовых вод, имеющих направление к области дренирования: к реке, оврагу или подошве склона, выполняют несколькими или одной линейной дреной, которую прокладывают к на- 97 правлению движения потока грунтовых вод, поступающих со стороны лежащей выше площади.

Береговой дренаж устраивают для перехвата фильтрующихся вод в глубину берегового склона со стороны реки в период повышенного горизонта, а также фильтрующихся вод на придамбовую территорию со стороны водохранилища, когда отметки зеркала водохранилища расположены выше обвалованной территории. Береговой дренаж применяют также для выравнивания уровня грунтовых вод в прибрежных зонах, повышающегося за счет фильтрации воды в реках и водохранилищах. Для перехвата этих вод трассу берегового дренажа проводят вдоль берега реки или подошвы дамбы обвалования.

3.2 Орошение

Орошение (ирригация) - особый способ мелиорации, при кото- ром искусственно пополняется недостаток влаги в почве. Орошение преимущественно применяют в засушливых районах, где остро ощущается недостаток влаги в почве в течение всего вегетационного периода или в отдельные стадии роста и развития растений. Орошение является существенным и необходимым способом улучшения плодородия почв и продуктивности лесных насаждений, выращивания по- садочного материала в лесных питомниках. Цель орошения - обеспечение регулирования водного, воздушного, теплового и пищевого ре- жимов почв для успешного роста растений.

Орошение, проводимое для увлажнения почвы, называется увлажнительным. Применяют удобрительное орошение сточными водами, канализацию талыми водами, содержащими взвешенные наносы, орошение промывкой почвы от токсичных для растений солей.

Источники воды для орошения поливных площадей. Для орошения используют воду транзитного, местного и подземного стоков.

Транзитный сток крупных и средних рек образуется за пределами орошаемой площади. Местный сток создается в зоне орошения, по- ступает в пруды, озера, реки и временные водотоки с небольших водосборов. Подземный грунтовый сток формируется устройством колодцев и каптажных сооружений.

Подземные воды добывают из шахтных и артезианских колодцев, каптажем ключей и прокладыванием водосборных галерей.

Для забора воды из источников орошения и подачи в оросительные каналы строят водозаборные (головные) бесплотинные и плотинные сооружения в голове магистрального канала.

Бесплотинный водозабор устраивают с захватной дамбой (шпорой, способствующей отводу нужного расхода воды) и шлюзом- регулятором (соединяющим магистральный канал с рекой и регулирующим подачу воды в каналы). При низком горизонте воды в реке, когда нельзя осуществить самотечную подачу воды в магистральный канал, проектируют плотинный водозабор. Плотина поднимает горизонт воды до уровня, при котором вода в магистраль- 201 ном канале поступает самотеком. Расход воды в магистральном канале регулируют шлюзом.

Для механического подъема воды у реки (пруда) строят насосную станцию, которая по напорному трубопроводу подает воду на требуемую высоту, откуда вода по магистральному каналу движется самотеком. Для подачи воды из пруда в магистральный канал самотеком устраивают под плотиной на коренном берегу трубы на уровне гори- зонта мертвого объема воды в пруду.

Пригодность воды для орошения определяется количеством со- держащихся в ней солей, взвешенных наносов, температурой воды. На хорошо водопроницаемых почвах наиболее допустимые пределы по содержанию Na2CO3 - 1,0 г/л, NaCl - 2 г/л, Na2SO4 - 5 г/л.

Наиболее токсичны карбонаты, далее идут хлориды и сульфаты.

К высокосолеустойчивым растениям относятся: тамарикс (Tamarix ssp.), лох (Elaeagnus ssp.), тополь черный (Populus nigra L.), карагач (Caragana arborescens Lam., frutex L.), аморфа кустарниковая (Amorfa fruticosa L.), к среднесолеустойчивым - инжир (Ficus carica L.), груша (Pyrus communis L.), шелковица (Morus nigra L., alba L.), мас- лина (Olea europaea L.), фисташка (Pistacia vera L.), акация белая (Robinia pseudoacacia L.), гледичия (Gleditschia triacanthos L.) и неко- торые сорта винограда (Vitis ssp.). Присутствие в водах оросительных источников пресноводных рыб, раков, земноводных представителей и пресноводной растительности (ряски (Lemna ssp.), рдеста (Potamogeton ssp.), аира (Acorus calamus L.), рогоза (Typha latifolia, angustifolia L.), ситника (Juncus ssp.)) является признаками качества и пригодности воды для орошения.

Температура поливочной воды должна быть близка к температуре почвы. Грунтовые и артезианские воды следует подогревать в бассей- нах. Воды рек характеризуются слабой минерализацией, но хорошо насыщены частицами взвешенных наносов. Грунтовые воды мало со- держат взвешенных частиц, но они низкотемпературные и высокоми- нерализованные. Наносы, состоящие из частиц диаметром больше 0,15-0,20 мм, откладываются в оросительных каналах, способствуют их заилению и требуют устройства специальных отстойников для осаждения наносов. Наносы с диаметром частиц меньше 0,005 мм бо- гаты питательными элементами, но ухудшают физические свойства почвы, ее структуру, уменьшают водопроницаемость и аэрацию.

Виды и способы орошения. Орошение бывает регулярное и однократное. При регулярном орошении воду подают на поля в любое время поливного периода как самотеком, так и путем механического 202 (насосного) подъема из рек, водохранилищ, колодцев, каптажных и водосборных сооружений. При однократном орошении вода посту- пает на поля только в паводковый период после задержания талых вод и создает значительный запас влаги на весь вегетационный период.

В случае поверхностного орошения почву увлажняют струей или слоем воды, движущемся по поверхности:

- по бороздам;

- напуском (по полосам);

- затоплением (по чекам).

Увлажнение по бороздам проводят подачей воды в борозды, а из них она поступает в почву инфильтрационным путем через дно и от- косы.

При поливе напуском увлажнение почвы происходит движу- щейся по поверхности водой по выводным бороздам и валикам.

При поливе затоплением поливной участок разделяется валиками на небольшие площадки (чеки), которые заполняются водой. Увлаж- нение почвы происходит путем инфильтрации слоя воды, созданного на поверхности чека.

В случае подпочвенного орошения воду подают по трубам или кротовинам, расположенным ниже корнеобитаемого слоя, где вода к корневым системам поступает в результате капиллярного подъема.

Орошение дождеванием проводят с помощью дождевальных ус- тановок, разбрызгивающих воду дождевым потоком.

Основные элементы оросительных систем. Оросительной системой называется совокупность каналов и сооружений, служа- щих для забора воды из источников орошения и подачи ее на оро- шаемые площади.

Оросительная система состоит из следующих элементов:

1) источника орошения;

2) водозаборного (головного) сооружения;

3) оросительной сети (магистральные, распределительные, ороси- тельные каналы, поливная сеть);

4) водосбросной сети;

5) дренажной сети;

6) сооружений на оросительной сети;

7) дорожной сети;

8) комплекса древесных насаждений.

Оросительная сеть при поверхностном орошении предназначена для подачи воды из источника орошения и равномерного распределе- ния ее по всей орошаемой площади.

В состав оросительной сети входят:

- магистральный канал;

- распределительные каналы;

- каналы-оросители, между которыми создается временная поливная сеть из борозд и валиков.

Вода из источника орошения идет в магистральный канал и далее в распределительные, оросительные каналы и поливную сеть.

Магистральный канал формируют по верхним частям склонов с небольшим уклоном (0,0002-0,0010) или по водоразделам. Часть магистрального канала от головного сооружения до первого примыкания к нему других каналов называется холостой, а остальная - рабочей частью. Холостую часть устраивают в выемке грунта, а рабочую часть - в полувыемке и в полунасыпи, или полностью в насыпи.

Для орошения вода поступает из рабочей части канала, а холостая часть магистрального канала предназначена только для транзита воды. От магистрального канала отходят распределительные каналы длиной до 1,0-2,0 км, а от них - каналы-оросители.

Оросители в зависимости от уклона поверхности располагают вдоль или поперек склона. При уклонах поверхности менее 0,002 сле- дует применять продольную схему, то же и при уклонах от 0,002 до 0,005, но при изрезанном рельефе. На участках с уклоном более 0,004-0,006 оросители необходимо проектировать поперек склона, так как каналы-оросители с уклоном более 0,004 часто размываются.

Длину оросителей принимают от 400-600 до 800-1000 м.

Расстояния между оросителями берут в пределах 70-200 м, укло- ны дна - не более 0,005-0,010. Каналы оросительной сети проводят по границе полей севооборотов с учетом дорожной сети.

На орошаемых площадях строят дороги различных назначений. Дороги устраивают вдоль постоянных каналов с верховой или низо- вой стороны. Дороги с верховой стороны проходят между каналом- оросителем и водосбросным каналом. В необходимых местах строят переезды через каналы в виде труб и мостов. Ширину проезжей части внутрихозяйственной дороги принимают равной 3,5 м, ширину земля- ного полотна - 5,0-6,5 м.

Водосбросная сеть предназначена для отвода поверхностных вод, строится как открытая система глубиной 1,0-1,5 м. Каналы проводят в пониженных местах, параллельно каналам-оросителям. Большие каналы с расходом более 200 л/с заканчивают сбросным сооружением. Коллекторно-дренажную сеть устраивают для понижения уровня грунтовых вод и борьбы с заболачиванием и засолением.

Дрены закладывают на глубину 2,5-3,5 м с расстояниями от 200 до 500 м и более в зависимости от водопроницаемости почвогрунтов.

Сооружения на оросительной сети. Их создают для регулирования подачи воды. Водовыпуски строят для подачи воды из одних каналов в другие. Для пропуска малых расходов воды применяют различные трубчатые водовыпуски, расход воды в которых регулируют затворами.

Перегораживающие (подпорные) сооружения устраивают для регулирования горизонтов и расходов воды в каналах в виде стенки с отверстием, закрываемым щитом. Переносные подпорные сооружения в виде деревянных или металлических щитов переносят и вставляют в требуемых местах (на оросителях и выводных бороздах) в специальные пороги с пазами или врезают непосредственно в грунт.

Акведуки - лотки или трубы на свайных опорах, которые представляют собой сооружения, предназначенные для переброски воды из каналов через местные понижения: овраги, долины.

Дюкеры - трубопроводы железобетонные, металлические, деревянные, по которым пропускают воду под местными препятствиями: оврагами, ручьями, дорогами, каналами.

Перепады, или быстротоки, строят на участках с большим уклоном.

Водомеры и водомерные сооружения проектируют для опре- деления расходов воды по каналам, имеющим форму трапецеи- дального водослива. Они служат регуляторами расходов и гори- зонтов воды.

Отстойники устраивают для очистки воды от наносов мутности.

Водосбросы предназначены для сброса воды из переполненного канала либо при ремонте в головной или в концевой частях канала.

На орошаемых площадях делают дороги вдоль постоянных каналов с верховой или низовой стороны. В первом случае дороги проходят между оросителем и водосбросным каналом. В необходимых местах устраивают переезды через каналы в виде труб и мостов.

3.3 Обводнение

Цели и задачи обводнения и водоснабжения

Система мероприятий по созданию искусственных источников воды (водохранилищ, прудов, обводнительных каналов, колодцев и каптажных сооружений) называется обводнением.

Воды, находящиеся на поверхности планеты, образуют геологическую оболочку (гидросферу), объединяющую все свободные воды Земли, не связанные физически и химически с минералами земной коры, которые могут передвигаться под влиянием солнечной энергии и сил гравитации. Запасы вод Мирового океана составляют 1 370 323 км 2 , или 93,9% от общего количества воды в гидросфере. Площадь Мирово- го океана равна 361,3 млн. км 2 , средняя глубина - 3790 м.

Большие запасы воды на нашей планете создают иллюзию ее не- исчерпаемости. Однако следует иметь в виду, что гидросфера - самая тонкая оболочка Земли. На воду во всех ее состояниях и сферах приходится меньше 0,001% массы планеты. Разное состояние и различное качество воды, а также особенности ее круговорота на Земле приводят к тому, что лишь незначительная часть запасов воды оказывается доступной и пригодной для практического использования.

Самые большие запасы воды на Земле сосредоточены в ее недрах. В. И. Вернадский оценивал все воды земной коры в 1,3 млрд. км3 , что примерно соответствует объему воды в океане, однако значительная часть этой воды находится в химически связном состоянии.

Объем всех поверхностных вод суши вместе с ледниками составляет около 25 млн. км3 , что в 55 раз меньше объема океана. За- пасы почвенной влаги достигают 85 тыс. км3 , около 280 тыс. км3 со- средоточено в озерах, примерно половина приходится на проточ- ные, пресные озера, а остальные - на озера бессточных областей с водами различной степени засоленности. Меньше всего воды в речных руслах - примерно 1,2 тыс. км 2 , или менее 0,0001% от общего водного запаса.

Химический состав подземных вод весьма разнообразен: от чистейших пресных вод до глубинных крепких «рассолов», содержащих более 250 г солей в 1 л воды, где преобладают хлоридно-натриевые воды, реже натриево-кальциевые и натриево-магниевые. Пресные подземные воды большей частью располагаются поверхностно, на глубине более 1,5-2,0 км встречаются соленые воды.

Общий объем пресных вод на нашей планете достигает примерно 28 млн. км3 , что составляет около 2% от общего объема гидросферы.

Природные запасы подземных вод содержатся в водоносных го- ризонтах Земли в естественном состоянии, располагаются в порах, трещинах водоносных пород как в статическом, так и в динамическом равновесии. Естественные запасы воды находятся в постоянном движении и изменении, которые зависят от следующих факторов:

- количества осадков в течение года и в сезон дождей;

- сезонно-годичных колебаний;

- антропогенных мероприятий по мелиорации и строительству искусственных водохранилищ рядом с источниками питьевой и хозяйственной воды (пожарные водоемы).

Расходно-эксплуатационные запасы подземной воды определяют перспективность не только развития хозяйства на данной местности, но и его существование в ближайший период времени.

Расходно-эксплуатационные запасы воды добываются из водоносных слоев, расположенных на глубине 3,5-5,5 м, водозаборными устройствами, которые обеспечивают при заданном режиме работы необходимое количество и качество воды в течение всего периода эксплуатации. Расходно-эксплуатационные запасы подземной воды примерно равны естественным запасам, но не могут сравниться с ними, так как первые постоянно нарушают равновесие объемов.

Водоемы и водотоки обладают способностью к самоочищению, вода ежегодно в процессе влагооборота в том или ином количестве возобновляется. Но большие потери воды в промышленности и быту, нерациональные способы ведения агропроизводства, химическое, механическое, тепловое загрязнения ведут к региональным дефицитам воды и глобальным климатическим нарушениям и изменениям.

Водные ресурсы имеют большое значение как промышленное сырье, нередко дефицитное и дорогое. Для современных технологий характерно наличие водоемких производств. Основная масса воды в промышленности идет для производства энергии и охлаждения, а также для растворения, смешивания, очищения и других механиче- ских процессов. В последнее время значительно увеличилось потребление воды при гидромеханизированных разработках в горнодобывающей промышленности в связи с использованием приемов флотации для отделения минералов от низкокачественных руд.

Больше всего воды население планеты применяет в агропроизводстве, только на орошение идет 2500 км3 , или более 6% суммарного го- дового стока рек земного шара. Количество воды, используемое в те- чение года на орошение 1 га посевов, составляет 12-14 тыс. м 3 .

Природные воды применяются в хозяйственной деятельности по следующим направлениям: питьевое водоснабжение, пищевая промышленность, хозяйственно-бытовое водоснабжение, отдых, туризм, спорт, нужды животноводства, прудовое рыбоводство, орошаемое и неорошаемое земледелие, промышленное и теплоэнергетическое во- доснабжение, гидроэнергетика, судоходство.

Использование воды в зависимости от целевой направленности дифференцируют на водопользование и водопотребление.

По характеру требований к водным ресурсам выделяют:

1) общее и специальное водопользование;

2) водопотребителей и водопользователей.

Общее водопользование - удовлетворение потребностей в воде без применения сооружений и технических средств ее набора.

Специальное водопользование предусматривает применение сооружений и технических средств забора и сброса в виде насосных станций, скважин, гидроузлов и других сооружений.

Водопользователь не забирает воду из водных источников, а лишь ее использует в различных целях, не изменяя количество (гидроэнергетика, судоходство, лесосплав, рекреация, рыбное хозяйство).

Водопотребитель, забирая воду из источника, возвращает ее в водоемы в меньшем количестве и другого качества (водоснабжение).

Водопотребителями являются коммунально-бытовые организа- ции, промышленность, сельское хозяйство. В

иды водохозяйственной деятельности включают 2 группы:

- деятельность, осуществляемая непосредственно на водоемах (создание прудов и водохранилищ, возведение каналов, дамб);

- деятельность в пределах водосбора (вырубка и создание куль- тур, осушение болот, распашка земель, применение органических и минеральных удобрений, ливневый сток с промышленных площадок, территорий городов, населенных пунктов).

Сооружения систем водоснабжения

Водохозяйственное снабжение посредством колодцев

Основным источником водохозяйственного снабжения населения и производственных процессов являются грунтовые воды. Подземные воды делят на напорные и ненапорные. Различают воды грунтовые (ненапорные) и артезианские (напорные).

...