Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ДРЕНАЖНОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к сельскому хозяйству и осушению почв Нечерноземной зоны. Результаты его реализации могут быть применены для улучшения действия дренажа и повышения эффективности использования дренируемых как минеральных, так и торфяных почвогрунтов, а также при совершенствовании проектирования, строительства и эксплуатации дренажных систем на объектах-аналогах.

Известно много способов контроля работы дренажных систем, представленных в следующих источниках: А.с. СССР №1341333, кл. E02B 11/00, 1987; Патент RU 2277148, кл. E02B 11/00, 2006; Методы полевых исследований по осушительным мелиорациям (ВАСХНИИЛ; Коллектив авторов; Под ред. Б.С.Маслова. - М.: Колос, 1983. - 320 с.), используемые в научно-исследовательских организациях, а в производственных организациях - Справочник по эксплуатации мелиоративных систем Нечерноземной зоны РСФСР (Коллектив авторов; Сост. Т.И.Даишев. - Л.: Ленотделение Агропромиздата, 1987. - С.72…85, 202…252, прототип).

Наиболее близким к заявленному является способ контроля работы дренажных систем, приведенный в Справочнике и включающий строительство дренажной системы с расстоянием между параллельными дренами Е и глубиной их заложения h_д при глубине залегания водоупора относительно дна траншеи дрены Т, разметку перпендикулярно дренам, в их середине по длине, наблюдательного створа, устройство в створе потайных пьезометров для наблюдения за уровнем воды в дрене h_oi и скважин с водопроницаемыми стенками для наблюдений за уровнем верховодки и почвенно-грунтовых вод в междренье h_i над дном траншеи дрены, проведение многолетних наблюдений в течение возраста дренажа i лет за ходом h_oi, h_i и модулем дренажного стока q_i, анализ полученных данных и сравнение их с допустимыми значениями.

Общим недостатком известных способов контроля работы дренажных систем является отсутствие комплексности, в частности отсутствие контроля состояния дренируемых почвогрунтов и оценки его изменения с возрастом дренажа. Дать надежную оценку работе дренажных систем можно только одновременно с оценкой состояния дренируемых почвогрунтов, комплексным показателем которого является коэффициент фильтрации, комплексно отражающий почти все структурные, физические и химические свойства почвогрунтов.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности контроля работы дренажной системы.

Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в более достоверной оценке соответствия дренажной системы предъявляемым требованиям и в возможности на основании полученных данных разработать меры по улучшению действия дренажа и использования дренируемых почвогрунтов, а также - совершенствовать проектирование, строительство и эксплуатацию дренажных систем на объектах-аналогах.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе контроля работы дренажной системы, включающем строительство дренажной системы с расстоянием между параллельными дренами Е и глубиной их заложения h_д при глубине залегания водоупора относительно дна траншеи дрены Т, разметку перпендикулярно дренам, в их середине по длине, наблюдательного створа, устройство в створе потайных пьезометров для наблюдения за уровнем воды в дрене h_oi и скважин с водопроницаемыми стенками для наблюдений за уровнем верховодки и почвенно-грунтовых вод в междренье h_i над дном траншеи дрены, проведение многолетних наблюдений в течение возраста дренажа i лет за ходом h_oi, h_i и модулем дренажного стока q_i, анализ полученных данных и сравнение их с допустимыми значениями, дополнительно осуществляют контроль за изменением осредненного коэффициента фильтрации дренируемых почвогрунтов К_фi. Для этого в фазу спада дренажного стока в последний осенний цикл действия дренажа перед установлением устойчивого снежного покрова, когда испарение с поверхности почвы близко к нулю, проводят не реже одного раза в сутки наблюдения за h_oi, h_i и q_i, устанавливая значения К_фi по формуле

при этом для каждого i-го года используют одну и ту же расчетную формулу для определения К_фi, а изменения коэффициента фильтрации с возрастом дренажа - путем составления для подпахотных горизонтов почвенного профиля эмпирической зависимости

где K - коэффициент, характеризующий изменение приточности воды к дренам по подпахотным горизонтам почвенного профиля при расстоянии между дренами, равном Е, и изменение К_фi в слое h над дном траншеи дрены за период от начала 2-го до конца i-го года возраста дренажа (i≥2);

m и µ - эмпирические коэффициенты.

Кроме того, скважины выполняют с диаметром, равным диаметру дрен, и обсаживают их трубками, обернутыми защитно-фильтрующим материалом. Верхний срез пьезометра и скважины, отверстия в которых закрывают пробками с куском проволоки длиной 0,7…1,0 м, размещают на глубине 35…40 см от поверхности почвы, а на период наблюдений за уровнем вод верх скважин и пьезометров отрывают от почвы и снимают пробки. Глубина пьезометров равна глубине дрены, а глубина скважин - на 15…20 см больше глубины дрены. Для замера уровней вод в скважинах и пьезометрах используют и самописцы уровней, а для замера дренажного стока в устье дренажной системы - и самописцы стока.

Контроль за состоянием дренируемых почвогрунтов и его изменением с возрастом дренажа (оценку изменения осредненного коэффициента фильтрации дренируемых почвогрунтов К_фi с возрастом дренажа) осуществляют следующим образом. Определение осредненного значения коэффициента фильтрации k_ф возможно по фактическому, замеренному из дренажной системы, модулю дренажного стока q и соответствующему ему напору над дном траншеи дрены в междренье h и в дрене h_o и глубине залегания водоупора ниже дна траншеи Т. Используя известную формулу, например С.Ф.Аверьянова, для определения расстояния между дренами

где

путем ее преобразования можно получить формулу для определения k_ф в явном виде

При расположении дрены на водоупоре (Т=0)

В основу известного способа определения осредненного коэффициента фильтрации положено определение его на большом объеме опробования почвогрунта, что несомненно является его достоинством. Но он не учитывает, как и другие известные способы, неустановившийся режим работы дренажа, испарение, колебания давления почвенного воздуха, вызываемые, главным образом, колебаниями температуры, явления гистерезиса в зависимости модуля дренажного стока от напора, а также изменения коэффициента фильтрации в течение года, что снижает достоверность полученного значения осредненного коэффициента фильтрации. Чтобы учесть данные факторы, а именно: неустановившийся режим работы дренажа, изменение k_ф в течение года, явление гистерезиса в зависимости q=f(h), колебания давления почвенного воздуха, вызываемые, главным образом, колебаниями температуры, - замеры q, h и h_o и вычисление сопоставимых по годам значений k_ф, осуществляют для фазы спада дренажного стока в последний осенний цикл действия дренажа перед установлением устойчивого снежного покрова, когда испарение с поверхности почвы близко к нулю. Не реже одного раза в сутки проводят наблюдения за h_oi, h_i и q_i, устанавливая значения К_фi по формуле

при этом для каждого i-го года используют одну и ту же расчетную формулу для определения К_фi, а его изменение с возрастом дренажа - путем составления для подпахотных горизонтов почвенного профиля эмпирической зависимости

где K - коэффициент, характеризующий изменение приточности воды к дренам по подпахотным горизонтам почвенного профиля при расстоянии между дренами, равном Е, и изменение К_фi в слое h над дном траншеи дрены за период от начала 2-го до конца i-го года возраста дренажа (i≥2); первый год после строительства дренажа - год стабилизации свойств почвогрунтов, нарушенных при проведении строительных работ;

m и µ - эмпирические коэффициенты.

Размещение верха пьезометров и скважин на 35…40 см ниже поверхности почвы не мешает проведению сельскохозяйственных работ в течение многолетнего периода. Почва над верхом пьезометров и скважин снимается только в последний осенний цикл действия дренажа, а после проведения замеров уровней верховодки и почвенно-грунтовых вод и уровней воды в дренах возвращается на прежнее место.

Заявленный способ контроля работы дренажной системы включает следующие операции:

- строительство дренажной системы;

- установление для построенной дренажной системы исполненного расстояния между дренами Е и глубины их заложения h_д, глубины залегания водоупора Т относительно дна траншеи дрены, площади внутреннего (дренажного) водосбора F и полного наименования фоновой почвы, занимающей не менее 80% ее площади;

- разметку перпендикулярно дренам, в их середине по длине, наблюдательного створа, осредненно характеризующего работу дренажной системы в целом;

- устройство в створе потайных пьезометров для наблюдения за уровнем воды в дрене h_oi и скважин с водопроницаемыми стенками для наблюдений за уровнем верховодки и почвенно-грунтовых вод в междренье h_i: скважины имеют диаметр, равный диаметру дрен, и обсажены они трубками, обернутыми защитно-фильтрующим материалом; верхний срез пьезометра и скважины, отверстия в которых закрываются пробками с куском проволоки длиной 0,7…1,0 м, размещают на глубине 35…40 см от поверхности почвы, а на период наблюдений за уровнем вод верх скважин и пьезометров отрывают от почвы и открывают пробки; глубина пьезометра равна глубине дрены, а глубина скважины - на 15…20 см больше глубины дрены;

- привязку к реперу высотного положения дрен, закрытого коллектора, низа и верха скважин и пьезометров и поверхности почвы;

- непосредственно перед последним осенним циклом действия дренажа: оборудование устья дренажной системы для наблюдений за дренажным стоком в предзимний период и установка самописцев дренажного стока, отрывка верха скважин и пьезометров от почвы и снятие пробок из них, установка самописцев уровня воды в скважинах и пьезометрах;

- проведение наблюдений в i год за ходом h_oi, h_i и дренажного стока q_i в фазу его спада в последний осенний цикл действия дренажа перед установлением устойчивого снежного покрова, когда испарение с поверхности почвы близко к нулю: измерение хода во времени дренажного стока, уровня верховодки и почвенно-грунтовых вод в междренье и уровня воды в дрене в фазу спада дренажного стока в последний осенний цикл действия закрытого дренажа перед образованием устойчивого снежного покрова;

- установку пробок и засыпку верха пьезометров и скважин ранее снятой почвой;

- вычисление модуля дренажного стока q_i и соответствующего ему напора над дном траншеи в междренье h_i и в дрене h_oi, расчет величины сопоставимых значений коэффициента фильтрации K_фi по формуле (6);

- установление изменения коэффициента фильтрации почвогрунта с возрастом дренажа по глубине почвенного профиля путем составления эмпирической зависимости, приведенной в общем виде в формуле (7);

- анализ полученных данных и сравнение их с допустимыми значениями; на основании полученных данных разрабатывают меры по улучшению действия дренажа и использования дренируемых почвогрунтов, а также по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации дренажных систем на объектах-аналогах.

Пример конкретного выполнения заявленного способа. Проведен контроль работы дренажной системы на объекте «Поджариха» в Тверской области, включающий оценку изменения осредненного коэффициента фильтрации подпахотных горизонтов почвенного профиля за 39-летний период действия закрытого гончарного дренажа. При этом выполнен в полном объеме перечень приведенных выше операций, расчет значений k_ф проведен по формуле (6), представленной в виде формулы (5), полученной путем преобразования формулы (1) С.Ф.Аверьянова.

Фоновая почва на рассматриваемой дренажной системе, занимающая 90% ее площади, - дерново-подзолистая легкосуглинистая глееватая на морене, с глубины 0,8 м - карбонатной. Уклон поверхности почвы - 0,001, тип водного питания - атмосферный.

Дренаж на объекте «Поджариха» построен в 1969 году. Первый год после строительства дренажа - год стабилизации свойств почвогрунтов, нарушенных при проведении строительных работ. Водопроницаемость моренного почвогрунта повышалась с возрастом дренажа. За 38-летний период его работы (1970…2008 гг.) приточность воды к дренам через подпахотные горизонты при водосборной площади дренажной системы 3,6 га, расположении дрен на водоупоре, расстоянии между дренами 10 м и глубине их заложения 1,0 м, в соответствии с формулой (7), увеличилась в K раз:

где

При соблюдении правил эксплуатации дренажная система в течение 1969…2008 гг. обеспечивала требуемую интенсивность осушения, а осредненный коэффициент фильтрации почвогрунтов подпахотных горизонтов в слое 7…65 см над дном траншеи дрены (объем опробования почвогрунта V=20790 м³) повышался в среднем за 38 лет на 4,14% в год. Несколько большей эта величина была в более глубоких слоях почвогрунта: в слое 7…45 см (V=13620 м³) она составила 4,47%, а в слое 7…15 см (V=2860 м³) - 5,43% в год. Объясняется это карбонатностью морены с глубины 0,8 м и сгущением линий тока при приближении к дрене, что оказывает положительное влияние на ее водоприемную способность.

Анализ полученных данных показал, что в течение 1969…2008 гг. дренажная система обеспечивала требуемую интенсивность осушения. Существенных изменений вносить в использование почв на рассматриваемом объекте нет необходимости. Как и в течение предшествующих 39 лет, неукоснительно соблюдая правила эксплуатации дренажной системы, дренаж необходимо дополнять агромелиоративными мероприятиями, направленными на ускорение поверхностного стока. Полученные данные о вторичных изменениях свойств дерново-подзолистых легкосуглинистых глееватых на морене (с глубины 0,8 м - карбонатной) почвогрунтов следует учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации дренажных систем на объектах-аналогах.