Узбекистан, обладая мощным агроэкономическим потенциалом, основу которого составляют порядка 4,3 млн. га орошаемых земель, производит на них около 30% общей валовой продукции страны.
При этом около 75% общей орошаемой территории характеризуется недостаточной естественной дренированностью и нуждается в осуществлении мероприятий по искусственному дренажу.
Искусственная коллекторно-дренажная сеть, состоящая из традиционных регулирующих открытых и закрытых горизонтальных дрен, вертикального дренажа, а также принимающих и отводящих дренажный сток проводящих коллекторов была построена на площади порядка 2,8 млн. га и позволяла в определённой мере поддерживать мелиоративное благополучие орошаемых земель.
Тем не менее, последующий анализ использования существующего агроэкономического потенциала показывал, что, несмотря на предпринятые в первые годы независимости меры по реформированию аграрного сектора путём развития фермерских хозяйств и их ассоциаций по использованию водных ресурсов на орошение, создания производственной и рыночной инфраструктуры, не везде способствовали увеличению сельскохозяйственной продукции и доходов сельского населения. Одной из основных причин сдерживания дальнейшего роста урожайности сельскохозяйственных культур и соответствующего увеличения доходов сельскохозяйственных товаропроизводителей являлось мелиоративное неблагополучие значительной части орошаемых земель.
Это было обусловлено отсутствием комплексного системного подхода при формировании проектов мелиоративных мероприятий, а также отсутствием конкретных источников их финансирования, слабой работой образовавшихся ассоциаций водопотребителей и общим снижением объёмов мелиоративных работ. Всё это, в конечном счёте, привело к повышению уровня залегания и минерализации грунтовых вод, вызвавших рост засолённости и мелиоративное неблагополучие орошаемых земель.
В целях выхода из создавшейся ситуации, в соответствии с Указом Президента Республики Узбекистан от 29 октября 2007г., за №. УП-3932 «О мерах по коренному совершенствованию системы мелиоративного улучшения орошаемых земель» и Постановления Президента Республики Узбекистан от 31октября 2007г., за № ПП-718 «Об организации деятельности Фонда мелиоративного улучшения орошаемых земель при Министерстве финансов Республики Узбекистан» был создан Фонд мелиоративного улучшения орошаемых земель и Департамент по его управлению. Правовой основой деятельности Фонда мелиоративного улучшения земель и Департамента по его управлению являются также Постановление Президента Республики Узбекистан от 19 марта 2008г. за № ПП-817 «О Государственной программе мелиоративного улучшения орошаемых земель на период 2008–2012гг.» и Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан от 28 ноября 2008г. за № 261 «О мерах по совершенствованию формирования и реализации программ мелиоративного улучшения орошаемых земель», которым утверждены:
«Положение о порядке формирования, разработки, проведения экспертизы, утверждения и реализации проектов по мелиоративному улучшению орошаемых земель»;
«Положение о порядке формирования доходов и расходования средств Фонда мелиоративного улучшения орошаемых земель при Министерстве финансов Республики Узбекистан».
Учитывая, что в комплексе мелиоративных мероприятий на орошаемых землях ведущим является гидротехнический дренаж, представляющий собой основу мелиоративных объектов, главными направлениями первой Государственной программы являлись:
— строительство и реконструкция мелиоративных объектов;
— ремонтно-восстановительные работы на мелиоративных объектах;
— укрепление материально-технической базы специализированных строительных и эксплуатационных организаций, работающих над созданием и поддержанием мелиоративных объектов.
Важное значение коллекторно-дренажных систем, обеспечивающих создание необходимых условий для дальнейшего устойчивого развития сельскохозяйственного производства, заключается ещё и в том, что они наряду с экономическими и социальными задачами выполняют и экологическую функцию. Эта функция направленна на предупреждение негативного влияния на природную среду, путём поддержания оптимального водно-солевого и питательного режимов почво-грунтов, исключающих возможность засоления и деградации земельно-водных ресурсов[1].
Дренаж орошаемых земель это комплекс гидротехнических сооружений, состоящий из:
— регулирующих (полевых) дрен, предназначенных для приёма и удаления излишков почвенно-грунтовых вод и растворимых в них солей за пределы орошаемого поля;
— групповых дрен — собирателей стока регулирующих дрен одновременно, выполняющих также и регулирующую роль;
— проводящих и отводящих коллекторов, предназначенных для сбора стока, поступающего из регулирующих дрен и собирателей, с целью его отведения за пределы дренируемой территории в реки или естественные понижения, служащие водоприёмниками.
Регулирующие дрены, как и собиратели, могут быть традиционными горизонтальными (открытыми или закрытыми) и вертикальными, а также инновационными комбинированными.
Открытый горизонтальный дренаж представляет собой разветвлённую сеть больших и малых земляных канав, дно которых вскрывает уровень грунтовых вод и обеспечивает свободный гравитационный отток фильтрационных и дренажных вод.
Поступление воды в дрену происходит самотёком под действием напора (h), образованного за счёт разницы высотных отметок уровня грунтовой воды в центре между дренами и уровня воды над дном дрены (Рис.1). Поэтому дрены работают (принимают воду) только тогда когда поверхность грунтовых вод находится выше уровня дна дрен. Причём коллекторные канавы, которые, как правило, проводятся по естественным понижениям, выполняют двойную роль — они не, только отводят поступающую из регулирующих дрен воду, как отводящие коллектора, но и сами дренируют прилегающие территории.
На землях, подверженных засолению глубокий дренаж более предпочтителен, чем мелкий, так как он позволяет:
— удерживать грунтовые воды на большей глубине и следовательно обеспечивать возможность более глубокого рассоления почво-грунтов при промывках;
— уменьшить возможность и интенсивность реставрации засоления почвы;
— увеличить расстояние между дренами, обеспечивая более полезное использование земли под посевы сельхоз культур.
Поэтому наиболее распространённые на староорошаемых землях региона глубины дрен составляют: около 2,5 метра, для регулирующих дрен; 2,5-3,0 метра, для групповых дрен — собирателей; 3,0-4,0 метра и более для отводящих коллекторов.
При расчёте расстояний между дренами наряду с литологическим строением и проницаемостью почво-грунтов, учитывается модуль дренажного стока, установленный на основе водно-солевого баланса, как объём грунтовых вод (нагрузка на дренаж), подлежащий отводу с дренируемой территории для поддержания уровня грунтовых вод на необходимой глубине. Модуль дренажного стока означает расход (отведение) дренажной воды в единицу времени с одного гектара (л/сек/га). На орошаемых, подверженных засолению землях, среднегодовой модуль дренажного стока обычно составляет, 0,15 л/сек/га для тяжёлых, 0,20 л/сек/га для средних, 0,25 л/сек/га для лёгких грунтов.
Рис. 1. Открытые регулирующие дрены и схема притока грунтовых вод
На староорошаемых землях при глубине дрен 2-3 метра, расстояние между ними обычно составляет 100-200 м для тяжёлых, 200-350 м для средних и 350-500 м для лёгких грунтов.
Главной задачей горизонтальных дренажных систем является необходимость создать условия, обеспечивающие гравитационный отток грунтовых вод, собираемых регулирующими дренами в водоприёмники. С этой целью на коллекторах и дренах требуется своевременно и системно — «с низу в верх» удалять возможные обрушения и оползни, перемычки и подпруды с одновременной очисткой от сорной растительности и заиления, обеспечиваябеспрепятственный отток дренажных вод. При осуществлении очистительных работ на коллекторно-дренажной сети очень важно извлекатьгрунтне с откосов, а из дна коллекторов, то есть не в «ширь», а в «глубь».
В тоже время открытый горизонтальный дренаж не смотря на простоту и сравнительно малые затраты на его устройство, классифицируется как не совершенный, так как имеет ряд существенных недостатков среди которых:
— быстрая заиляемость и зарастаемость сорной растительностью, а также подверженность оползням и обрушениям, что требует больших затрат на систематическую очистку и заглубление;
— затруднительность обеспечения своевременной оперативной очистки и заглубления дрен и коллекторов для поддержания их необходимой рабочей глубины (особенно в условиях оплывающих грунтов), определяющей их дренирующее действие;
— открытые дрены и коллектора, занимая большую площадь, способствуют потери орошаемых земель, мешают механизации сельхозработ и движению транспорта;
— при большом поступлении напорных подземных вод открытый дренаж не обеспечивает достаточного рассоляющего действия и требует больших затрат оросительной воды для достижения необходимой мелиоративной эффективности.
Всё это способствовало необходимости перехода на технически совершенные закрытые типы дренажа, первоначально, внедрённые на ново осваиваемых, а затем и на староорошаемых землях Узбекистана в 70-80 годы прошлого столетия.
Степень технического совершенства закрытых дренажных систем определяется их способностью обеспечивать эффективное регулирование гидрогеолого-мелиоративных процессов при минимальных суммарных затратах на их строительство и эксплуатацию. Открытой на этих системах выполняется только отводящая часть в виде коллекторов, транспортирующих дренажный сток, формируемый закрытой регулирующей сетью, в водоприёмник.
Закрытый горизонтальный дренаж является наиболее распространённым и представляет собой перфорированный трубопровод (из керамических, пластмассовых, асбестоцементных или других труб диаметром 0,07-0,3 м), уложенный под грунт на глубину 2,5-3,5 м иокружённый защитно-фильтрующим слоем из искусственных покрытий или естественных песчаных и песчано-гравийных материалов толщиной 0,15-0,18 м, а также и их комбинаций[2]. В зависимости от принятого способа строительства, закрытый горизонтальный дренаж, выполняется полумеханизированно — методом «полки» на откосе открытой дрены, или механизированно-траншейным, узкотраншейным и бестраншейным методами с помощью дреноукладчиков (Рис.2).
Рис.2.Полумеханизированная укладка закрытого горизонтального дренажа и схемы его конструктивных элементов при полумеханизированной и механизированной укладках.
В последнее годы в основном применялись пластмассовые гофрированные трубы и искусственные защитно-фильтрующие материалы (синтетические волокна, нетканые, иглопробивные полотна), а также их комбинация с естественными фильтровыми смесями.
Поступление воды в дрену происходит самотёком под действием напора, образованного за счёт разницы в уровнях грунтовых вод между дренами и в полости перфорированного трубопровода, выведенного в коллектор (обычно открытый).
Для осуществления ремонтно-эксплуатационных работ на закрытой горизонтальной дрене предусматриваются необходимые сооружения (истоковые и смотровые колодцы, устья), выводимые на поверхность (Рис.3).
Рис. 3. Устройство смотрового колодца на закрытом горизонтальном дренаже
Расстояние между дренами определяется гидрогеологическими и хозяйственными условиями, а также конструктивными особенностями водоприёмной части и при принятых для нашей зоны глубинах 2,5 — 3,5 м составляет не менее 50 м.
Преимуществом закрытого горизонтального дренажа является долговечность, небольшие эксплуатационные расходы, удобство для перемещения транспортных средств и механизмов на сельхозработах, значительная экономия посевных площадей и оросительной воды.
Вертикальный дренаж представляет собой систему из буровой скважины с установленной по центру трубчатой колонной, состоящей из водоприёмной и водопроводящей частей; водоподъёмного оборудования; здания для станции управления; контрольно-измерительной аппаратуры средств автоматики и телемеханики; линий электропередач; трансформаторной подстанции; площадки и подъездных дорог (Рис.4).
Рис. 4. Вертикальный дренаж
Скважины вертикального дренажа[3], выполняемые обычно диаметром 0,9-1,2 м, предназначаются для воздействия на верхний ярус подземных вод и поэтому бурятся глубиной до 50-100 м. Водоприёмная часть скважин размещается в хорошо проницаемых песчано-гравийных отложениях и оборудуется фильтровым каркасом, защищённым песчано-гравийной фильтровой обсыпкой. Водоподъёмное оборудование размещается в водопроводящей части трубы, размещаемой над фильтровым каркасом.
В качестве трубчатой колонны используются стальные обсадные, тонкостенные сварные, полимерные и асбестоцементные трубы, диаметром до 0,4 м, а для фильтрового каркаса применяются перфорированные трубы из тех же материалов или фильтры заводского изготовления.
Площадь обслуживания скважины зависит от гидрогеологических и хозяйственных условий и может достигать 100-150 га.
Комбинированный дренаж (Рис. 5), в соответствии с проведёнными САНИИРИ в 80-90-х годах исследованиями и разработанными на этой основе нормативно-методическими документами,определён как система из горизонтальных дрен (коллекторов), размещаемых в слабопроницаемом покровном мелкозёме и подключённых к ним вертикальных самоизливающихся скважин, установленных водоприёмной частью в хорошо проницаемый подстилающий слой[4,5].
Рис. 5. Усиление закрытого горизонтального дренажа (А)
самоизливающимися скважинами образует комбинированный дренаж (В).
На фоне такой системы возникающий при поливах напор, сопровождаемый подъёмом грунтовых вод, передаётся в нижний хорошо проницаемый слой и формирует приток к вертикальным скважинам и самоизлив в сеть горизонтального дренажа.
Таким образом, самоизливающиеся скважины, размещаемые вдоль дрены, усиливая её действие, соответственно позволяют значительно расширить междренные расстояния.
Для повышения водозахватной способности скважины комбинированного дренажа (глубиной не более 30 м) бурятся диаметром 500 мм и оборудуются гладкими пластмассовыми трубами диаметром 100 мм с перфорацией в нижней части, размещаемой в хорошо проницаемом подстилающем слое[6].
В качестве фильтровой защиты используется песчано-гравийная смесь специально подобранного состава, засыпаемая в затрубное пространство между водоподъёмной колонной и стенками скважины. Расстояние между скважинами, устраиваемыми вдоль дрен, зависит от гидрогеологических условий и составляет 50-100 метров. Скважины — усилители могут подключаться, как к открытым, так и к закрытым горизонтальным дренам или их смотровым колодцам.
В зависимости от природно-хозяйственных условий при создании систем комбинированного дренажа могут быть предусмотрены две схемы его размещения [7] :
• площадная, когда в дополнение к открытым коллекторам, строят закрытые горизонтальные дрены и к ним подключаются скважины-усилители с шагом, не превышающим половину расстояния между дренами;
• линейная, по которой скважины-усилители располагаются с определённым шагом вдоль открытых коллекторов, обычно устраиваемых не чаще чем через 800 — 1000 метров.
Условия применения каждого из выше перечисленных типов дренажа устанавливаются, прежде всего, на основе анализа гидрогеологических особенностей конкретной территории [8].
Горизонтальный дренаж перспективен в условиях преимущественно однородного строения грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,01 до 1м/сут и более, при близком (до 5 м) залегании водоупора. Он эффективен также в условиях неоднородного строения грунтов с маломощными (3-4 м) покровными мелкозёмами, когда появляется возможность вскрывать хорошо проницаемые подстилающие (песок, гравий, и т.д.) слои и укладывать в них горизонтальные дрены.
Вертикальный дренаж перспективен в условиях преимущественно неоднородного строения почво-грунтов с мощными (15-45 м) покровными мелкоземами, подстилаемыми хорошо проницаемыми песчано-гравийными слоями мощностью более 5 м и водопроводимостью более 100 м2/сут. Он может быть эффективен и при меньшей водопроводимости в условиях слабой проницаемости (менее 0,1 м/сут) покровных мелкоземов или напорности подземных вод подстилающих слоев. Ограничения по мощности покровного мелкозема обусловлены тем, что при мощностях менее 15 м на фоне вертикального дренажа создается пространственная неравномерность по глубине залегания грунтовых вод, скорости их снижения и темпам рассоления почво-грунтов. В тоже время при мощностях более 45 м резко возрастают сопротивления покровного мелкозема и теряется гидравлическая связь грунтовых вод покровного мелкозема, с подземными водами подстилающих слоёв.
Комбинированный дренаж перспективен в условиях неоднородного строения почво-грунтов, сложенных покровными слабо проницаемыми (0,01-0,5 м/сут) мелкоземами мощностью от 5 до 15 м и хорошо проницаемыми (более 10 м/сут), подстилающими слоями с напорными или безнапорными подземными водами. Неприменимость комбинированного дренажа в условиях маломощных покровных мелкоземов объясняется тем, что укладка его горизонтального элемента (глубиной 3-4 м) непосредственно в подстилающие хорошо проницаемые слои исключает необходимость устройства его вертикального элемента (скважин-усилителей). А при мощностях покровных мелкоземов более 15 -20 м начинают возрастать его геофильтрационные сопротивления и гидравлические потери. В условиях же слабой проницаемости покровных мелкоземов (менее 0,1 м/сут), когда дренирующей способностью горизонтальной сети можно пренебречь, её можно заменить неперфорированным «глухим» водоводом, лишь транспортирующим дренажный сток, поступающий из самоизливающихся скважин.
В соответствии с ранее проведёнными исследованиями САНИИРИ на основе детального изучения гидрогеологических условий было выполнено районирование орошаемой территории республики по типам и объёмам потребного дренажа (Табл.1).
Хотя, с учётомсовременных природно-климатических и изменившихся хозяйственных условий эти рекомендации требует уточнения и корректировки, но тем не менее они могут служить ориентиромнаправлений дальнейшего развития дренажных работ в республике.
№ | Области | Протяжённость горизонтального дренажа, км | Количество СВД, штук. | Количество С-У КД, штук. |
Ташкентская | 7025 | 152 | 2200 | |
Сырдарьинская | 16750 | 1320 | — | |
Джизакская | 22370 | 1100 | — | |
Ферганская | 7540 | 1250 | 22700 | |
Наманганская | 2020 | 440 | 10150 | |
Андижанская | 4650 | 510 | 1000 | |
Самаркандская | 1860 | 280 | — | |
Бухарская | 6480 | 640 | 22030 | |
Навоийская | 2420 | 160 | 5670 | |
Кашкадарьинская | 27680 | 550 | 10700 | |
Сурхандарьинская | 11030 | 610 | 6500 | |
Хорезмская | 10740 | 320 | 6280 | |
Республика Каракалпакстан | 36560 | 640 | 6360 | |
Всего | 157525 | 8072 | 97890 |
В соответствии с этим районированием, из двух определённых проектным документом ПРООН в качестве пилотных- Сырдарьинской и Ферганской областей, последняя является наиболее перспективной для применения комбинированного дренажа. Поэтому при выборе демонстрационного участка и планировании необходимых проектных мероприятий в Ферганской области было решено провести испытания инновационного комбинированного дренажа для последующего его масштабного применения на объектах Фонда мелиоративного улучшения орошаемых земель. С этой целью, для испытания комбинированного дренажа был определён мелиоративно-неблагополучный Кувинский район, где на территории АВП «Акбарабад» был выбран открытый коллектор на территории фермерского хозяйства «Хамроли ота».
Проведённые проектом испытания, установленных на этом коллекторе по линейной схеме шести скважин — усилителей показали высокую эффективность применения комбинированного дренажа, позволившего обеспечить необходимую дренированность участка без устройства дополнительных горизонтальных дрен.
Рис.6. Работа скважины усилителя в самоизливающимся режиме.
Основные характеристики комбинированного дренажа, необходимые при рассмотрении его возможного применения на других объектах:
• Удельный дебит скважин-усилителей, л/с на 1 м напора…3-3,5
• Площадь, обслуживаемая одной скважиной, га…7-15
• Удельная протяжённость горизонтальной сети, м/га…10-25
• Диаметр бурения скважин, м…0,5
• Материал фильтра…песчано-гравийная смесь
Анализ этих испытаний в сопоставлении с проведённымиранее работами САНИИРИ в этой зоне, позволяют обозначить следующие преимущества комбинированного дренажа:
Дешевизна строительства
— Строительство систем комбинированного дренажа обходится более чем в 2 раза дешевле сооружения закрытого горизонтального дренажа
Экономия электрической энергии
— При эксплуатации вертикального дренажа требуется 700-800 кВт/ч электрической энергии в год на каждом гектаре дренируемой площади. Комбинированный дренаж избавляет потребителя от этих расходов, что весьма существенно при всеобщем характере дефицита энергетических ресурсов.
Дешевизна эксплуатации
— Расходы на эксплуатацию систем комбинированного дренажа в 3-5 раз меньше стоимости эксплуатации вертикального и в 1,5-2,0 раза – горизонтального.
Упрощение эксплуатации
— Комбинированный дренаж в отличии от вертикального, не нуждается в сложном энергосиловом оборудовании и гораздо меньше подвержен заилению, по сравнению с горизонтальным.
Ускорение темпов рассоления
— За счёт оптимизации мелиоративных режимов рассоление почво-грунтов происходит при комбинированном дренаже в 1,2-1,5 раза быстрее, чем при закрытом горизонтальном и с той же скоростью, как при вертикальном дренаже.
Пулатхон Умаров,
Национальный Технический Координатор проекта ПРООН «Содействие
развитию потенциала Фонда мелиоративного улучшения орошаемых земель»
Литература:
1. Дренаж в бассейне Аральского моря в направлении стратегии устойчивого развития. Ташкент-2004.-316 с.
2. Духовный В.А.Горизонтальный дренаж орошаемых земель. -М.: Колос, 1979. -256 с.
3. Решёткина Н.М., Якубов Х.И. Вертикальный дренаж. -М.: Колос, 1978. -320 с.
4. Умаров П.Д. Система комбинированного дренажа. / Авторское свидетельство СССР за № 1414926 от 30.07.1986 г.
5. Умаров П.Д. Приближённо-теоретическая модель фильтрации к системе комбинированного дренажа со скважинами усилителями повышенной водозахватной способности. Доклады Академии Наук Уз ССР, 1983, № 6, стр.18-20.
6. Умаров П.Д. Оценка фильтрационных сопротивлений конструкций скважин- усилителей комбинированного дренажа. – Сб.научн.тр./ Среднеаз.научн.-исслед. ин-т ирриг., Ташкент, 1980, вып. 160, с. 95-102.
7. Духовный В.А., Умаров П.Д., Любар Р.Г. О выборе схемы размещения комбинированного дренажа. – Гидротехника и мелиорация, 1980, № 12, с. 58-61.
8. Пособие по дренированию орошаемых земель.Проект ПРООН «Содействие развитию потенциала Фонда мелиоративного улучшения орошаемых земель» — Ташкент,2012, -72 с.