Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОСУШЕНИЯ СРЕДНЕСУГЛИНИСТЫХ ПОЧВОГРУНТОВ С ВЫСОКИМ ПЛОДОРОДИЕМ ПОЧВЫ ЗАКРЫТОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ СЕТЬЮ

Изобретение относится к сельскому хозяйству и комплексной мелиорации агроландшафтов и может быть применено в Нечерноземной зоне как при проектировании, строительстве, реконструкции, ремонте и эксплуатации дренажных систем, так и при использовании дренируемых среднесуглинистых почвогрунтов с высоким плодородием и атмосферным водным питанием почвы. При этом к среднесуглинистым почвогрунтам отнесены почвогрунты с содержанием физической глины - частиц с диаметром менее 0,01 мм 30…40% по сухой массе.

Как известно, по плодородию минеральные почвы подразделяют на три группы (Рекомендации по окультуриванию и сельскохозяйственному использованию мелиорируемых земель в Нечерноземной зоне РСФСР. / И.М. Емельянова и др. - Л.: СевНИИГиМ, 1978. - С.4…6). К почвам высокого плодородия относят минеральные почвы при мощности гумусового горизонта более 22 см, содержании подвижного фосфора более 15 мг/100 г почвы и кислотности рН более 5,5. К группе со средним плодородием относят минеральные почвы с мощностью гумусового горизонта от 17 до 22 см, содержанием фосфора от 10 до 15 мг/100 г почвы и кислотностью рН от 4,5 до 5,5, а к группе с низким плодородием - при мощности гумусового горизонта менее 17 см, содержании подвижного фосфора ниже 10 мг/100 г почвы и рН ниже 4,5.

К закрытой осушительной регулирующей сети относят как закрытые собиратели, отводящие воду с поверхности почвы и гравитационную воду из пахотного слоя, так и закрытые дрены, понижающие уровень инфильтрационных, почвенно-грунтовых, грунтовых и грунтово-напорных вод.

Известен траншейный способ осушения почвогрунтов закрытым дренажем, позволяющий сохранить слой почвы по его трассе. Способ предусматривает перед отрывкой траншеи снятие по ее трассе слоя почвы, укладку его на край траншеи и присыпку уложенной на дно траншеи трубы с защитно-фильтрующим материалом почвой гумусового горизонта, срезанной с краев траншеи (А.с. SU 1377328 А1, Кл. E02В 11/00, 1988. Способ строительства дренажа. / Ц.Н. Шкинкис, И.Ю. Гайлитис и Х.А. Смилга). Присыпку труб растительным грунтом предусматривает и ВСН-С-4-79 (Инструкция ВСН-С-4-79 по строительству закрытого горизонтального дренажа при осушении земель сельскохозяйственного назначения. Утверждена приказом Минводхоза СССР №252 от 18 мая 1979 г., согласована Госстроем СССР письмом №1 - 4558 от 01 декабря 1978 г. - М.: Минводхоз СССР - В/О «Союзводпроект», 1979. - С.13, п.3.44).

Недостаток способа: недостаточная эффективность осушения, поскольку не учитывает гранулометрический состав, уровень плодородия почвы и обоснованность ее использования для присыпки труб.

Известен способ осушения почв закрытым дренажем (А.с. SU 1484861 А1, Кл. E02В 11/00, 1989. Способ строительства дренажа. / П.П. Евчик, В.М. Мукоед и Ш.И. Брусиловский), включающий отрывку траншеи и укладку в нее дренажной трубы, присыпаемой защитным слоем, на который отсыпают перемычки из вынутого грунта с коэффициентом откоса от 0,2 до 0,8. Вершины перемычек размещают ниже пахотного слоя на 10…20 см. Между перемычками проводят оструктуривание защитного слоя химмелиорантом и засыпку траншеи фильтрующим материалом.

Недостаток способа: недостаточная интенсивность осушения как следствие неравномерного притока воды к трубе по ее длине и отсутствия контактной фильтрации по границе засыпаемых в траншею материалов (см. Патент RU 2411322 C1, Кл. E02В 11/00, 2011 г.).

Известен способ осушения дренажем слабопроницаемых грунтов траншейным способом (Патент SU 1794130 A3, Кл. E02В 11/00, 1993. Способ строительства дренажа в слабоводопроницаемых грунтах. / А.И. Бальчюнас, Б.А. Тамашаускас и М.А. Урбутис; прототип), предусматривающий снятие почвы гумусового горизонта и отсыпку ее вдоль бровки траншеи, отрывку траншеи и отсыпку вынутого почвогрунта вдоль второй бровки траншеи, укладку на дно траншеи дренажной трубы и защитного слоя, отсыпку бульдозером через каждые 10…15 м перемычек из вынутого почвогрунта до пахотного слоя, а на естественные откосы перемычек - фильтрующих элементов из почвы гумусного слоя в виде наклонных призм толщиной 30…35 см поперек траншеи, засыпку траншеи до пахотного слоя вынутым почвогрунтом и окончательную засыпку траншеи почвой гумусового горизонта, оставшейся от устройства фильтрующих наклонных призм.

Недостаток способа: недостаточная эффективность, так как не учитывает уровень плодородия почвы (степень ее окультуренности) и целесообразность ее дренирования и использования для создания фильтрующих элементов, а также вследствие отсутствия контактной фильтрации по границе засыпаемого в траншею почвогрунта и неравномерности притока воды к дренажной трубе по ее длине.

Известен закрытый собиратель (Патент RU 2411322 С1, Кл. E02В 11/00, 2011 г.), включающий водоприемный элемент в форме призмы, размещенной в дренажной траншее с вертикальными стенками и уложенной в ней дренажной трубой. Призма составлена из n-го количества вертикальных правильных призм, где n≥2. Призмы образуют единый блок и каждая заполнена разнородным фильтрующим материалом. В качестве фильтрующего материала могут быть использованы песок, шлак, льняная костра, смесь вынутого из дренажной траншеи почвогрунта с почвой пахотного слоя либо с отощающими добавками, например песком, ишаком, доломитом и др. Дренажная труба обернута защитно-фильтрующим материалом.

Применение данной конструкции закрытого собирателя ограничено из-за отсутствия на объектах осушения, особенно с тяжелыми слабоводопроницаемыми почвогрунтами, как правило, в достаточном количестве местного фильтрующего материала, а засыпка траншеи привозным фильтрующим материалом удорожает стоимость строительства дренажных линий в 2…3 раза.

При осушении почвогрунтов закрытыми дренами минимальную глубину их заложения, равную 1,1 м, принимают исходя из условия обеспечения нормы осушения в расчетный период (СНиП 2.06.03-85, п.3.25). При этом при уклоне поверхности почвы, меньшем или равном 5‰, применяют продольное расположение дрен. При осушении почвогрунтов закрытыми собирателями применяют только поперечное расположение дренажных линий. Минимальную глубину заложения закрытых собирателей, равную 0,8 м, рекомендуют сотрудники ВНИИГиМ (Печенина B.C., Юрченко И.Ф. Собиратель. - В сб.: Мелиоративная энциклопедия, т.III. / Сост. Б.С. Маслов. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. - С.188…189). В Мосгипроводхозе расчетную глубину закладки закрытых собирателей принимали не меньше 0,8 м (Руководство по проектированию осушительных и осушительно-увлажнительных систем. / Мосгипроводхоз. - М.: Главнечерноземводстрой, 1976: п.5.18; табл.5 и 6; п.5.2; п.5.21; п.5.5).

В пособии (Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по осушению сельскохозяйственных земель в Нечерноземной зоне РФ. / Сост. А.П. Аверьянов. - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2005) глубина заложения регулирующей сети, а к ней, как известно, относят и закрытый собиратель, «в истоке принимается 1,1…1,2 м (в минеральных грунтах)» (п.2 примечания к табл.4), «разница в глубинах заложения дрен (закрытых собирателей) в истоке и устье составляет не более 0,2…0,3 м» (см. п.3 этого же примечания). В учебнике (Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации. / А.А. Богушевский, А.И. Голованов, В.А. Кутергин и др.; Под ред. Е.С. Маркова. - М.: Колос, 1981. - С.250…253, §92 и с.266 §100), созданном также ведущими учеными этого же образовательного учреждения (ранее МГМИ, ныне МГУП), на с.250 читаем: «…устройство закрытых собирателей на глубине 1,3…1,5 м нецелесообразно. Глубина закладки закрытых собирателей, не превышающая 1 м, более соответствует характеру их работы». На с.266 учебника подчеркивается: «При уклонах поверхности меньше минимально допустимых, когда требуемый уклон создается за счет заглубления устьевой части дрены, возможна неравномерность режима осушения по ее длине. В этом случае разницу в отметках дрены в истоке и устье допускают не более 0,2…0,3 м». Как видим, приводимая разница в отметках распространяется только на дрены.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что в отличие от МГУП Мосгипроводхоз и ВНИИГиМ минимальную глубину закрытого собирателя рекомендуют равной 0,8 м.

И.М. Кривоносов (Кривоносов И.М. Глубина закладки дрен. - В кн.: Губарь Н.С. и др. Сельскохозяйственные мелиорации в Нечерноземной полосе. / СевНИИГиМ. - М.: Колос, 1964. - С.208…210) считает, что уменьшение глубины заложения дрен в тяжелых глинистых почвах улучшает работу дренажных систем и приводит к значительному снижению стоимости работ по устройству как дренажа, так и, особенно, открытых транспортирующих и магистральных каналов и водоприемников. Ц.Н. Шкинкис (Шкинкис Ц.Н. Гидрологическое действие дренажа. / ЛатНИИГиМ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - С.216), наоборот, рекомендует применение более глубокого (1,3…1,5 м) дренажа, причем большие глубины дрен - на более тяжелых почвах.

Обобщая опыт назначения глубины заложения дрен в тяжелых почвах, Б.С. Маслов (Маслов Б.С. Глубокое рыхление почв: опыт и задачи науки // Гидротехника и мелиорация. - 1979. - №7. - С.28…33.17, с.32) подчеркивает, «что прогрессивная тенденция увеличения глубины дренирования в нашей практике осуществляется очень медленно… Зональные научные институты рекомендуют следующие глубины заложения дрен в тяжелых почвах: Латвийская ССР (Ц.Н. Шкинкис) - 1,3…1,5 м, Литовская ССР (А. Блажис) - более 1,2…1,5 м, Белорусская ССР (В.М. Зубец) - 1,2…1,3 м, центр Нечерноземной зоны РСФСР (В.Я. Черненок, B.C. Печенина) - 1,2…1,4 м. В то же время многочисленные исследования показывают, что тяжелые почвы требуют более глубокого осушения… по-видимому, и у нас следует уточнить (в сторону повышения) средние и минимальные глубины заложения дрен».

Мелкое заложение дрен в слабоводопроницаемых почвах, заболоченных связной влагой и поверхностными застойными водами, рекомендуют в ФРГ (Эггельсманн Р. Руководство по дренажу. / Пер. с нем. В.Н. Горинского; Под ред. Ф.Р. Зайдельмана. - М.: Колос, 1984. - С.145).

В условиях Белорусской ССР по данным В.Т. Климкова (Мелиорация: Энцикл. Справочник. / Коллектив авторов; Под общ. ред. акад. ВАСХНИЛ А.И. Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - С.136) при осушении тяжелых почв, переувлажняемых верховодкой, глубину заложения дрен для пашни и пастбищ принимали равной 0,9…1,1 м, для лугов - 0,8…1,0 м.

Известные литературные данные не учитывают, что при прочих одинаковых условиях расчетное значение коэффициента фильтрации К снижается с глубиной. При этом для глеевых почв К, как правило, ниже, чем для глееватых. Например, в условиях Ржевско-Старицкого Поволжья для дерново-подзолистой суглинистой на покровном суглинке глееватой почвы, используемой в полевом севообороте, среднегеометрическое значение коэффициента фильтрации 25%-ной вероятности занижения в мм/сут может быть аппроксимировано зависимостью (при коэффициенте корреляции, равном 0,91)

где Н - глубина залегания подпахотного слоя, исчисляемая от поверхности почвы; 110 см≥Н≥27 см.

Для этой же, но глеевой почвы (при коэффициенте корреляции, равном 0,92)

где 110 см≥Н≥35 см.

Изложенное выше свидетельствует, что, к сожалению, до сих пор нет ясности, в каком случае применять осушение слабоводопроницаемых почвогрунтов, которые, как правило, нуждаются в осушении, закрытыми дренами, а в каком - закрытыми собирателями. При этом и действующие указания по проектированию закрытых собирателей (Пособие П 1-98 к СНиП 2.06.03-85, раздел 6. - Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 1999. - 85 с.) не учитывают степени окультуренности почвы.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке эффективного способа осушения среднесуглинистых почвогрунтов с высоким плодородием почвы закрытой регулирующей сетью путем установления места и роли закрытых дрен и закрытых собирателей при осушении среднесуглинистых почвогрунтов с плодородной почвой, своевременного сброса воды с поверхности почвы и гравитационной воды из пахотного слоя и понижения уровня почвенно-грунтовых вод до нормы осушения при сохранении плодородного слоя почвы, обеспечения равномерного притока воды к закрытой регулирующей сети по ее длине и контактной фильтрации по границам почвы и почвогрунта, используемых для засыпки траншеи, создания и поддержания стабильно высокой водопроницаемости засыпки траншеи.

Технический результат от разрешения поставленной задачи заключается как в улучшении гидрологического действия закрытой регулирующей сети, так и в повышении эффективности использования плодородного слоя почвы и эколого-экономической эффективности дренирования среднесуглинистых почвогрунтов.

Поставленная в изобретении задача разрешена тем, что в способе осушения среднесуглинистых почвогрунтов с высоким плодородием почвы закрытой регулирующей сетью, включающей дренажную траншею с уложенной на ее дно дренажной трубой с защитно-фильтрующим материалом, фильтрующие элементы в виде призм из почвы гумусового горизонта, устроенные в траншее до пахотного слоя, и окончательную засыпку траншеи почвой гумусового горизонта, каждая дренажная траншея выполнена глубиной не менее 1,1 м и шириной не менее 50 см поперек направления стока поверхностных вод под углом не более 30 градусов к горизонтали, а дренажная труба с защитно-фильтрующим материалом присыпана почвой гумусового горизонта, срезанной с верхних краев траншеи, не менее чем на 15 см над шелыгой трубы, фильтрующие элементы выполнены в виде единого блока, составленного из n-го нечетного количества (n≥3) вертикальных параллельных стенкам траншеи правильных призм, в котором призма из почвы гумусового горизонта чередуется с призмой из вынутого почвогрунта, при этом ширина призмы из вынутого почвогрунта в два раза больше ширины призмы из почвы гумусового горизонта, а ширина траншеи В и ширина каждой нечетной призмы из почвы гумусового горизонта b_н связаны между собой соотношением

b_н=2В/(3n-1).

Диаметр дренажной трубы принимают в зависимости от расстояния между регулирующей сетью, отводящей воду при безнапорном режиме, и расчетной интенсивности водоотведения вероятностью превышения р%.

Как показывают проведенные исследования, закрытые собиратели применимы при осушении тяжелосуглинистых и глинистых почвогрунтов с атмосферным и намывным типами водного питания, дренами же осушают песчаные, супесчаные и легкосуглинистые почвогрунты. При осушении среднесуглинистых почвогрунтов закрытый дренаж работает в двух возможных режимах: как собиратель при отводе воды с поверхности почвы и гравитационной воды из пахотного слоя и как дрена при понижении уровня почвенно-грунтовых вод.

Способ осушения среднесуглинистых почвогрунтов занимает промежуточное положение между способами осушения легких и тяжелых почвогрунтов и базируется на двух возможных режимах работы закрытого дренажа в них. При этом применен траншейный способ устройства закрытого дренажа, включающий его укладку в траншею шириной не менее 50 см.

При осушении тяжелосуглинистых и глинистых почвогрунтов закрытыми собирателями реализуют метод ускорения поверхностного стока и метод ускорения стока по пахотному слою. Вследствие крайне низкой водонепроницаемости подпахотных слоев норма осушения в этом случае не может быть достигнута: уровень гравитационной воды может понижаться только до подошвы пахотного слоя, так как для получения необходимого градиента уровня гравитационной воды в подпахотном горизонте требуется частое расположение регулирующей осушительной сети (4…6 м), что экономически не оправдывается. Поэтому при осушении почвогрунтов закрытыми собирателями та часть избыточной воды, которая не может стечь в осушительную сеть, удаляется за счет испарения.

Минимальная глубина закладки регулирующей сети принята как для дрен и равной 1,1 м, расположение регулирующей сети - как для закрытого собирателя (поперек направления стока поверхностных вод), а для увеличения уклона регулирующей сети ее трассируют под углом не более 30 градусов к горизонтали. Расстояния между регулирующей сетью рассчитывают как для дрен и уточняют расчетом для закрытых собирателей, дополняя при этом и дрены, и собиратели агромелиоративными мероприятиями. Диаметр дренажной трубы определяют в зависимости от расстояния между регулирующей сетью, отводящей воду при безнапорном режиме, и расчетной интенсивности водоотведения вероятностью превышения р%, устанавливаемой проведением специальных расчетов по ее технико-экономическому обоснованию.

Изобретение иллюстрируется чертежами, поясняющими устройство закрытой регулирующей сети для осушения среднесуглинистых почвогрунтов с плодородной почвой.

На фиг.1 приведен поперечный разрез траншеи после снятия почвы гумусового горизонта и отсыпки ее 1 вдоль бровки траншеи. На фиг.2 - то же, после отрывки траншеи 2 на полную глубину до проектных отметок, отсыпки 3 вынутого почвогрунта подпахотных горизонтов и валиков 4 измельченного почвогрунта, образующихся после разработки траншеи экскаватором-дреноукладчиком, использовать которые для присыпки трубы, обернутой защитно-фильтрующим материалом, не допускается, так как это, в основном, разрыхленный почвогрунт подпахотного горизонта. На фиг.3 - то же, после укладки на дно траншеи трубы 5, обернутой защитно-фильтрующим материалом 6 и присыпанной почвой 7 из гумусового горизонта (пахотного слоя) 8, срезанной из верхних краев 9 траншеи. На фиг.4 - то же, в процессе засыпки траншеи до гумусового горизонта (при n=3), при этом секции 10 заполняют почвой 1, снятой перед отрывкой траншеи, а секцию 11 - почвогрунтом 3, вынутым при отрывке траншеи. На фиг.5 представлен поперечный разрез траншеи после завершения всех работ при n=3, на которой b_н - ширина призмы (нечетной) из почвы, а b_ч - ширина призмы (четной) из почвогрунта.

Отвод избыточных вод в регулирующую сеть осуществляется по поверхности почвы, пахотному слою 8 и его плужной подошве 12 через засыпку дренажной траншеи, а также путем притока в траншею и затем в трубу регулирующей сети почвенно-грунтовых вод из подпахотных горизонтов, что обеспечивает необходимую для выращивания растений норму осушения. При этом закрытая регулирующая сеть для осушения среднесуглинистых почвогрунтов предназначена для осушения почв только с высоким их плодородием (для почв с высокой степенью их окультуренности), которая предусматривает наличие окультуренного пахотного слоя мощностью более 22 см. Устройство фильтрующих элементов предусматривает наличие вертикальных границ между вертикальными стенками дренажной траншеи и засыпкой почвой, а также между засыпками почвой и вынутым почвогрунтом. Процессы набухания и усадки почвы и почвогрунта и морозобойные трещины способствуют контактной фильтрации, а труба, имеющая высокую водоотводящую способность, способствует проветриванию засыпки, сохранению трещин в ней и поддержанию ее стабильно высокой водопроницаемости. Достигается это и за счет высокого уровня плодородия почвы. Засыпка дренажной траншеи окультуренной почвой пахотного слоя (гумусового горизонта) не на всю ширину, а только нечетных ее секций, имеющих ширину b_н (см. фиг.5), приводит к сохранению плодородной почвы. В комплексе это и обеспечивает выполнение поставленной задачи и достижение планируемого технического результата.

Полевые опыты по дренированию среднесуглинистых почвогрунтов с почвой разного уровня плодородия, проведенные на опытно-производственном участке Карельской опытно-мелиоративной станции, показали, что заявляемый способ позволяет значительно улучшить гидрологическое действие закрытой регулирующей сети и повысить эколого-экономическую эффективность дренирования среднесуглинистых почвогрунтов. Так, при выпадении в течение гидрологического года осадков 3%-ной обеспеченности, при мощности пахотного слоя 15…18 см и расстоянии между дренажными линиями 12 м продолжительность нахождения верховодки в пахотном слое в течение гидрологического года составила 28 сут, а урожайность озимой пшеницы - 4,24 т/га. Повышение уровня плодородия почвы - увеличение мощности окультуренного пахотного слоя до 30…35 см - способствовало улучшению действия дренажа - сокращению нахождения верховодки в пахотном слое до 4 сут и повышению урожайности озимой пшеницы до 4,94 т/га. При осушении закрытой регулирующей сетью более окультуренных почв прирост урожайности составил 16,5%.