Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ЗАКРЫТОЙ ОСУШИТЕЛЬНО-УВЛАЖНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ

Изобретение относится к области сельского и лесного хозяйств, а конкретней к способам контроля работы зарытой дренажной сети на осушительно-увлажнительной системе с использованием животноводческих стоков.

Известно множество способ контроля работы дренажной сети, описанных в следующих литературных источниках: Эггельсман Р. Руководство по дренажу. М.: Колос, 1978, с. 223 и Методы полевых исследований по осушительным мероприятиям. Под ред. Б.С. Маслова. М.: Колос, с. 122-123.

Недостатком известных способов контроля является повышенная трудоемкость, обусловленная необходимостью регулярного наблюдения параметров мелиоративного режима осушенных земель и параметров режима работы осушительной сети на нескольких наблюдательных участках с различной интенсивностью осушения.

Известен способ контроля работы дренажной сети, включающий прокладку на контрольном участке дренажной сети со сходящимися дренами, разбивку наблюдательных створов, наблюдение за показателями работы дренажной сети, сравнение их с допустимыми значениями, разбивают центральный, устьевой и истоковый створы, устраивают по линии створов пробоотборные дренажные колодцы и истоковые площадки и отбирают пробы дренажного и поверхностного стоков для определения содержания загрязнений (авторское свидетельство SU №1791523, Е02В 11/00 от 30.01.1993).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость работ. Необходимость закрывать и открывать многочисленные потайные и пробоотборные колодцы. Кроме того, большая протяженность водосборных дрен и коллектора получается больше, чем у системы обычных горизонтальных дрен при одинаковой осушаемой площади, т.е. количество отдельных дрен сравнительно велико.

Известен способ контроля дренажной сети, включающий укладку на наблюдательном участке дренажной сети со сходящимися трассами дрен, устройство пробоотборных колодцев, наблюдательных створов, стоковых площадок, отбор проб дренажного и поверхностного стоков, определение содержания загрязнителей в пробах, сравнение его с допустимыми значениями, наблюдательный участок размечают на зоны, по оси которых поперек дрен разбивают наблюдательные створы, по сходящимся трассам укладывают пучки дрен, каждая из которых дренирует отдельную зону, и в пределах зоны снабжают дрену водоприемными отверстиями, при этом пробоотборные колодцы устраивают в устьевых участках пучков дрен (патент RU №2199625, Е02В 11/00 от 27.02.2003).

Недостатком является значительная протяженность дренажных линий, коллектор получается достаточно длинным, количество пробоотборных колодцев, соответственно, увеличивается, что обусловлено притоком грунтовых вод в зоны размещения истоков дрен на прилегающей территории и оттоком грунтовых вод на прилегающую территорию из зоны размещения устьев дрен.

Наиболее близким по технической сущности и цели предлагаемого технического решения является способ контроля работы дренажной сети, включающий прокладку на контрольном участке дренажной сети со сходящимися дренами, разбивку наблюдательных створов, наблюдение за показателями работы дренажной сети, сравнение их с допустимыми значениями (авторское свидетельство SU №1341333, Е02В 11/00 от 30.09.1987).

Недостатком известного способа контроля является повышенная погрешность измерений в истоковом и в устьевом наблюдательных створах, которая обусловлена притоком грунтовых вод с прилегающей территории в зону размещения истоков дрен и оттоком грунтовых вод на прилегающую территорию из зоны размещения устьев дрен. Кроме того, при размещении таких дрен по прямолинейным рядам количество дрен сравнительно велико; сложность конструкции.

Технический результат - повышение точности контроля с притоком грунтовых вод на участках контроля и оттока за его пределы и улучшение экологической обстановки.

Технический результат достигается тем, что наблюдательный участок размечают на зоны, перфорированные дрены укладывают в почву в плане в виде спирали, каждая концентрическая окружность которых дренирует отдельную зону, и в пределах зоны снабжают коллектором, который соединяют с помощью вертикального стояка с перфорированной дреной с общим геометрическим центром, свободный конец перфорированной дрены заглушен, при этом свободный конец коллектора оборудуют измерителем в качестве вертикальной трубы, свободный конец которой размещают выше поверхности земли.

Кроме того, вертикальная труба выполнена в виде пробоотборного колодца, устанавливаемого над коллектором с впускным отверстием, причем вертикальную трубу выполняют из полиэтиленового материала, а над поверхностью земли помещают ее во внутрь металлического кожуха, причем верх трубы перекрывают клапаном.

Кроме того, отбор проб начинают после заполнения глубины воды в вертикальной трубе с закрытием крана, используя короткий сбросной патрубок, а в качестве измерителя взятия пробы воды используют объемный малый металлический сосуд, вес которого превышает удельный вес воды, подвешенный на гибкой тяге, с заполнением большей емкости водой, установленной вблизи створа, для заданного объема наполнения.

Предложенное техническое решение характеризует следующая совокупность существенных признаков:

1. Устройство участка с размещением в почве, перфорированной в плане в виде спирали, каждая концентрическая окружность которой дренирует с разной интенсивностью осушения.

2. Фиксация расхода в коллекторе с выпускным отверстием для соединения его с измерителем в виде вертикальной трубы.

3. Отбор проб воды, используя закрытия крана на коротком сбросном патрубке.

4. Измерение концентрации загрязнения в пробах воды измерителя взятия проб и сравнением с допустимыми значениями, по результатам делают заключением о работе осушительно-увлажнительной системе с использованием животноводческих стоков.

5. Отбор проб воды начинают после окончания удобрительного полива животноводческими соками ежемесячно (допускается поквартально).

6. В качестве отбора проб воды используют объемный малый металлический сосуд, вес которого превышает удельный вес воды, подвешенный на гибкой тяге (например, нити) со сливом для заполнения емкости вблизи створа с заданным ее наполнением.

7. В качестве кратковременной промывки коллектора между временем отбора проб воды используют открытие крана на коротком сбросном патрубке.

Указанная совокупность существенных признаков достаточна, а каждый из них необходим для достижения цели изобретения.

Перфорированная дрена расположена в плане в виде спирали и создает на одном участке осушительно-увлажнительные зоны с различной интенсивностью осушения, характерные для различных участков осушаемого массива. Устраняется необходимость в устройстве нескольких участков наблюдений, а значит, сокращается число наблюдательных створов на осушаемом массиве. Разбивка наблюдательных створов, снабженных стоковыми площадками, позволяет фиксировать уровень и отбор проб воды жидкого стока при дренаже с близким залеганием грунтовых вод, а также качество этих вод. Отбор проб воды осуществляют на одной стоянке перфорированной дреной в плане в виде спирали с общим геометрическим центром, связанным непосредственно с коллектором, который соединяют посредством стояка с дреной, один конец которой заглушен.

Это позволяет оценить влияние величины расстояние на наблюдательной территории по расположению в плане спиральной дрены. Концентрацию загрязнения определяют взятием проб воды при закрытии крана на сбросном патрубке, при этом осуществляют кратковременный промыв коллектора от отложения мелких фракций наносов, что способствует надежному поступлению дренажной воды с грунтовыми водами в измерителе, выполненном вертикальной трубой (напоминающего по функции пробоотборный колодец). Такой сбор воды по спирали способствует смешиванию с объемами воды по всему периметру зоны охвата перфорированной дреной, которые поступают с вышерасположенных зон. Это повышает качество определения загрязнения при осушительно-увлажнительном поливе животноводческими стоками. Концентрация стоков, прошедших через толщу почвы на определенную глубину, показывает, на сколько нарушен или не нарушен технологический режим полива животноводческими стоками, а также продолжительность периода измерений при поливах.

Применение в качестве измерителя объемной емкости для отбора проб в измерителе, выполненном вертикальной трубой, совмещающем функции перегораживающего за счет закрытия крана на сбросном патрубке, существенно увеличивает точность отбора проб воды. Таким образом, в зоне наблюдения повышается точность отбора проб и определения их химического состава, а также колебания их уровня на всех объектах, предназначенных для наблюдения полей орошения (количество определяется контролем, исходя из технологического режима при почвенной утилизации на полях орошения животноводческими стоками).

Коллектор и вертикальная труба связаны между сбой и выполняются, например, из пластмассовых труб различного диаметра, но без водоприемных боковых отверстий в стенках и фильтрующей изоляции.

Следует отметить, что после очистных сооружений животноводческие стоки (свиноводческие) не сбрасываются в водные объекты, а подаются на поля орошения дождевальными машинами для почвенной доочистки, химический состав которых различен и имеет следующий показатель: реакция среды - pH, азот аммиачный - NH₄, азот органический - N_орг, азот общий - N_общ, фосфор - P₂O₅, калий - K₂O, кальций - Ca, магний - Mg, натрий - Na, хлориды - C₁, сульфаты - SO₄.

Вышеуказанные показатели необходимы для проведения технологических расчетов по агробиологическому обезвреживанию свиноводческих стоков на полях орошения. Выполняя эти расчеты, нет необходимости на оросительно-увлажнительных поливах определять несколько раз в год химический состав самой почвы на орошаемых участках. Вполне будет достаточно использовать результаты агрохимического обследования орошаемых полей центром агрохимической службы самого предприятия.

Практика на свинокомплексе «Владимирский», Владимирская область, показывает, что в данном хозяйстве 36,9% пашни имеют повышенное содержание подвижного фосфора, а высокое - 49,2%. Повышенное содержание обменного калия - 38,7%, а высокое - 18,8%.

Таким образом, плановая утилизация животноводческих стоков диктует необходимость выдерживать структуру посевных площадей, возможность определять экологически безопасную площадь утилизации годового объема животноводческих стоков.

Избыток внесенных биогенных элементов может привести к загрязнению грунтовых и дренажных вод, ухудшит качество растениеводческой продукции.

Таким образом, такая система территории выполняет функции сооружений естественной почвенно-биологической очистки навозных стоков. Поэтому такие системы стали называть «Ирригационные поля утилизации» (ИПУ), которые позволяют регулировать не только водный режим почвы, но и питательный, а самое главное являются надежными природоохранными сооружениями.

Поэтому индустриальные очистные сооружения и ирригационные поля утилизации рассматриваются как единые «Индустриально-аграрные очистные сооружения свиноводческого комплекса», работа которых взаимосвязана.

Отсюда контроль за состоянием грунтовых и дренажных вод на полях орошения представляет особое значение.

Кроме того, отбор проб воды позволяет фиксировать расходы жидкого стока животноводства при орошении полей и оценить его влияние на осушение на измеряемые параметры.

Программа регулярных наблюдений за водным объектом и водоохраной зоны включает программу проведения измерений качества (периодичность, место отбора проб, объем и перечень определяемых ингредиентов) дренажных вод, а это связано с экологией и природопользованием объекта, т.е. необходимо учитывать негативное воздействие на окружающую среду в период полива животноводческими стоками, которые могут с большой вероятностью обеспечивать загрязнение навозосодержащими стоками водосборной площади рек, ручьев, болот и т.д.

В целом контроль работы закрытой осушительной сети при распределении, например, свиноводческих стоков на полях, требует периодически определять химический состав их, фиксировать нормы внесения жидких стоков, определять зоотехнические показатели растениеводческой продукции, химический состав грунтовых и дренажных вод.

Сущность предложенного способа контроля поясняют чертежами.

На фиг. 1 представлен план участка; на фиг. 2 - разрез вертикальной трубы с пробоотборником; на фиг. 3 - емкость для использования наполнения водой пробоотборника.

На осушительно-увлажнительном поле заложен закрытый коллектор 1, которому подсоединяют с помощью вертикального стояка 2 перфорированную дрену 3. Перфорированную дрену 3 располагают в плане в виде спирали, каждая концентрическая окружность которой дренирует отдельную зону с общим геометрическим центром. Свободный конец 4 перфорированной дрены 3 заглушен. Над водовыпускным отверстием коллектора 1 устраивают измеритель в виде вертикальной трубы 5, свободный конец ее выводят выше поверхности земли и помещают ее вовнутрь металлического кожуха для отсутствия ее поломки во время работ механизмами на поле. Коллектор 1 и вертикальную трубу 5 на наблюдательном участке выполняют из пластмассовых труб. Вертикальную трубу 5 выполняют диаметром не менее 100 мм, а диаметр коллектора выполняют не менее 150 мм и его пропускная способность определяется гидравлическим расчетом, зависящим от водосборной площади согласно пропускной способности дрены 3, расположенной в плане в виде спирали на наблюдательном участке. Вертикальная труба 5 выполняет функцию пробоотборного колодца. Верх трубы 5 над поверхностью земли выполняют высотой не менее 1,0 м и перекрывают крышкой 6 с тем, чтобы можно было периодически ее открывать для взятия проб воды с помощью опускания во внутрь трубы 5 объемного малого металлического сосуда 7, подвешенного на гибкой нити 8 (гибкая тяга), с заполнением его водой. Вес металлического сосуда 7 больше удельного веса воды. Для определения химического анализа в лаборатории пробы воды посредством малого объемного сосуда 7 накапливают за счет заполнения большей по объему емкости 9, размещенной вблизи створа. Закрытие сверху вертикальной трубы 5 позволяет устранить поступление дождевых вод, засорение, вмешательство посторонних лиц и т.д.

Глубину заложения перфорированной дрены 3 в плане в виде спирали выбирают согласно гидрологическим условиям и технологией размещения дренажной сети на осушаемом участке с учетом залегания и грунтовых вод на массиве орошения. Концевой участок коллектора 3 снабжают краном 10 с возможностью его открытия для кратковременной промывки осадка наносов, а также для устранения застойной зоны дренажной воды в измерителе, выполненном в виде вертикальной трубы 5 (выполняющей функцию пробоотборного колодца). Уровень дренажной воды может быть также смешан с грунтовой водой в самой вертикальной трубе 5 для отбора проб воды на химанализ (по правилам требований необходимо проводить откачку воды, т.е. проводить сброс воды в течение не менее 5 минут для действительного отбора пробы и определения точного анализа). Таким образом, статический уровень дренажной и грунтовой вод накапливается в вертикальной трубе 5 в зоне эффективного радиуса действия перфорированной дрены 3, расположенной в плане в виде спирали в зоне активного действия самих дрен на массиве осушения.

Перфорированную дрену 3, расположенную в плане в виде спирали, можно размещать на глубине в толще почвы с целью обеспечения равномерности поступления в нее дренажной и грунтовой вод при поливе сточными животноводческими стоками, расположение которой описывается уравнением в полярных координатах ρ=aϕ;

,

где ρ - радиус вектор; ϕ - полярный угол; V - линейная скорость поступления воды в перфорированную дрену; W - угловая скорость; t - время заполнения перфорированной дрены.

Параметры уравнения принимаются от конкретных почвенно-мелиоративных условий массива осушения при поливе животноводческими стоками.

Способ реализуют следующим образом.

Одновременно со строительством или реконструкцией дренажа на массиве осушительно-увлажнительной системы устраивают наблюдательный участок. Закладывают коллектор 1 и перфорированную дрену 3 с заглушенным свободным концом 4. Другой конец дрены 3, с расположенной в плане в виде спирали, посредством стояка 2 соединяют с коллектором 1 с общим геометрическим центром. Общая длина дрены 3 дренирует зону действия, ее дренажную и грунтовую воду с прилегающего участка, которая непосредственно впадает в коллектор 1 (дрена 3 имеет достаточную длину). Вода по коллектору 1, при закрытом кране 10, заполняет вертикальную трубу 5 (пробоотборный колодец), благодаря чему статический уровень в ней поднимается. Далее опускают малый металлический объемный сосуд 7 на гибкой тяге 8 вовнутрь трубы 5 и отбирают пробы воды, однако предварительно коллектор 1 кратковременно промывают от осевшего осадка наносов и застоя воды в нем, а затем вновь кран 10 закрывают. Пробы доставляют в химлабораторию с помощью наливной емкости 9. Измеряют концентрацию загрязнителей, сравнивают ее с допустимыми значениями и по результатам сравнения делают заключение о работоспособности закрытой осушительно-увлажнительной системы по экологическим параметрам, относящимся к поливу сточными или животноводческими стоками.

Цикл измерений проводят на одном или нескольких полях орошения, где проводят полив животноводческими стоками с различным залеганием грунтовых вод (это связано с особо близким залеганием грунтовых вод, примером может служить объект свиноводческого комплекса «Владимирское», Владимирская область). Продолжительность отбора проб на одной зоне зависит от необходимости заполнения заданного объема емкости 9, чтобы определить все заданные химические анализы компонентов в специальной для этих целей производственной лаборатории, которая всегда имеется на комплексе данного предприятия (отбор проб проводят согласно утвержденным графикам с проверкой проверяющего государственного органа «Росприродназор» один раз в году).

Пример реализации предлагаемого способа контроля возможен для устройства на контрольном участке землепользования на объекте по свиноводству «Владимирское» Владимирской области. Проектная мощность свиноводческого комплекса, содержание и откорм 108,0 тыс. голов. Растениеводство на осушительно-увлажнительной системе производят только кормовые культуры на площади 1143 га.

Согласно агрономическому обследованию, проведенному Государственным центром агрохимической службы «Владимирский», только один из участков осушения 66 га, представлен дерново-сильноподзолистыми почвами легкосуглинистого механического состава, по степени кислотности почвы слабокислые (pH - 5,1), содержание фосфора высокое (P₂O₅ - 237 мг/кг почвы), содержание калия очень высокое (K₂O - 353 мг/кг почвы). Идет интенсивное накопление фосфора и калия в почве на орошаемых землях. Этот процесс необходимо приостановить ввиду его сильного переувлажнения. Ввиду сокращения текстового описания изобретения, химико-аналитический анализ таких проб на орошаемых землях не представлен, так как он достаточно объемен по своему химическому составу.

Таким образом, осушение таких земель непосредственно связано с орошением их свиноводческими стоками, что может привести к загрязнению подземных вод. Почвы участка в основном, дерново-подзолистые глеевые. Содержание азота нитратного в грунтовой воде может превышать ПДК (10 мг/л). В этих условиях можно реализовать результаты наблюдений на этом участке для базового и предложенного способов контроля осушительно-увлажнительной системы с поливом животноводческими стоками и проводить полив с заданной нормой. Для чего фиксируют расходы стоков и концентрацию нитратов в пробах воды для конкретного поля.

Предложенный способ контроля закрытой дренажной сети сокращает трудоемкость наблюдений за счет сокращения числа пробных колодцев, обеспечивает повышение точности измерения проб отбора воды и определение концентрации нитратов за счет устройства коллектора собирателя с перфорированной дреной, уложенной в плане в виде спирали, и соединяющего коллектора с вертикальной трубой, выполняющей функцию пробоотборного колодца, возвышающегося над поверхностью земли в пределах эффективного радиуса действия осушительных дрен и расположения грунтовых вод. Кроме того, это дает возможность отсутствия переувлажнения сельхозкультур на осушительно-увлажнительных системах в течение поливного сезона, на основании заключения способа контроля осушительной сети на контрольном участке. В конечном итоге на контрольных участках составляются паспорта и, отобранные пробы воды из всех контрольных участков, затем выполняют химические анализы проб воды.