7. Особенности впо сточными водами

Использование хозяйственно-бытовых сточных вод в земледелии и сельском хозяйстве достаточно широко распространено и в наши дни, особенно в странах с засушливым климатом. Это позволяет экономить водные ресурсы, минеральные и органические удобрения, увеличить производство продуктов питания. Главным образом, их используют для орошения при выращивании сельскохозяйственных культур, полива зеленых насаждений, в прудовых хозяйствах и т.п.

Орошение полей бытовыми сточными водами города Алейска позволило получить в условиях Западной Сибири 5-6 т зеленой массы злаковых трав с 1 га, отвечающих требованиям по качеству [3].

Полив очищенными сточными водами зеленых насаждений широко распространен в США, Латинской Америке, Австралии, средиземноморских и арабских странах, Северной Африке. Стоки используют для орошения парков, уличных газонов, игровых площадок для гольфа, придорожных зеленых полос и т.п. Его осуществляют с помощью сети трубопроводов, автоцистернами, поливочными машинами [4].

8. Внутрихозяйственные и системные водопользования, порядок их составления и проведения

Внутрихозяйственное регулирование водного режима.

1. Под требованиями сельскохозяйственных культур к водному режиму осушаемых земель понимают количественную зависимость урожайности от совокупности основных показателей водного режима: глубины залегания уровня грунтовых вод, влажности почвы, продолжительности затопления почвы и подтопления ее верхних слоев в различные периоды вегетации.

Осушительно-увлажнительные и осушительные системы при их эксплуатации должны обеспечить требования сельскохозяйственных культур к водному режиму.

Для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и сохранения почвенного плодородия необходимо поддерживать мелиоративные режимы осушаемых земель в оптимальных пределах.

Оптимальную влажность почвы, при которой получают наиболее высокие урожаи сельскохозяйственных культур, устанавливают опытным путем для конкретных условий. Верхний предел оптимальной влажности определяется нижним пределом аэрации почвы. Для многолетних трав объем воздуха в верхнем корнеобитаемом слое почвы должен составлять не менее 15-20% ее пористости, зерновых культур 20-30, для картофеля и овощных не менее 30-40%. Нижним пределом оптимальной влажности почвы является влажность разрыва капиллярной связи, при которой подвижность влаги в почве резко уменьшается.

Оптимальная влажность почвы находится в пределах (в долях от полной влагоемкости): для зерновых культур 0,50-0,75; для овощей, картофеля и корнеплодов 0,55-0,8, для трав 0,65-0,85.

Влажность почвы и культуры тесно связана с глубиной залегания уровня грунтовых вод. Глубину залегания уровня грунтовых вод, соответствующую оптимальной влажности верхнего корнеобитаемого слоя почвы на осушаемых землях, называют нормой осушения. Она изменяется во времени и зависит от климатических, погодных, почвенных, гидрогеологических и хозяйственных условий.

В предпосевной период норма осушения должна обеспечить проходимость сельскохозяйственных машин и механизмов и составляет 0,4-0,6 м. в вегетационный период ее значение равно глубине распространения основной массы корневой системы растений плюс высота эффективного капиллярного подъема влаги в почве. В последующий период вегетации по мере роста и развития корневой системы растений норму осушения увеличивают для сенокосов до 0,6-0,8 м. В период уборки урожая норму осушения уменьшают до первоначально 0,4-0,6 м.

Во влажные годы норму осушения принимают на 0,1-0,3 м больше, а в засушливые на 0,1-0,3 м меньше нормы осушения для средних по естественной увлажненности лет.

2. Способы регулирования водного режима.

Ускорение поверхностного и внутрипочвенного стоков применяют при атмосферном типе водного питания с помощью открытых или закрытых собирателей.

Открытые собиратели – это небольшие каналы трапецеидальной формы, расположенные через 60-300 м поперек склона местности, глубиной 0,8-1,2 м, длиной 0,6-1,2 км. Регулирующую сеть из открытых собирателей устраивают преимущественно при осушении естественных лугов, лесных угодий. При попадании осадков открытые собиратели перехватывают поверхностный сток, рассредоточивая его и сокращая длину пробега воды по склону.

С осушаемого участка вода по собирателям поступает в коллекторы проводящей сети и далее в магистральный канал, а затем ее сбрасывают в водоприемник или в специальный пруд.

Закрытый собиратель – представляет собой дренажную трубу диаметром 50-75 мм с фильтрующей засыпкой над ней, расположенную поперек склона местности на глубине 0,8-1 м. Длина закрытых собирателей 150-200 м, расстояние между ними 12-60 м, минимальный уклон 0,003. закрытые собиратели используют преимущественно при осушении пашни: при возделывании полевых, овощных и кормовых культур, на пастбищах.

Эффективность регулирования водного режима при осушении закрытыми собирателями повышают проведением специальных агромелиоративных мероприятий, ускоряющих поверхностный сток и улучшающих вводно-физические свойства почвы.

При малых уклонах осушаемого участка поверхностный сток ускоряют с помощью периодической планировки, а в отдельных случаях – профилированием поверхности почвы.

Одно из наиболее эффективных мероприятий при осушении тяжелых почв – кротование.

Кротовина – это круглая полость диаметром 7-10 см с узкой щелью над ней, образованная в почве при проходе специальное орудия. Глубина заложения кротовин при кротовании со вспашкой 40-50 см, а расстояние между ними 1-3 м. прокладывают кротовины в подпахотном слое поперек закрытых собирателей. Избыточная вода через щель попадает в полость кротовины и далее поступает в трубу закрытого собирателя.

Глубокое рыхление выполняют на минеральных глинистых почвах с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут. Глубину рыхления принимают от 50-60 до 80 см. глубокое рыхление улучшает перераспределение влаги и способствует ее аккумуляции в разрыхленном подпахотном слое, повышает эффективность действия закрытых собирателей.

Открытые осушители представляют собой небольшие каналы глубиной 1-1,5 м, расположенные поперек потока грунтовых вод. Длина осушителей 700-1500 м. минимальный уклон осушителя 0,0003. применяют открытые осушители на сенокосах и пастбищах.

Закрытый горизонтальный дренаж представляет собой систему дрен, на глубине 1-1,5 м. Применяют при осушении земель под полевые и овощекормовые севообороты, пастбища.

Дрена – это свободная полость с креплеными стенками, проложенная с заданным уклоном в грунте. Минимальный уклон дрен 0,003.

Вертикальный дренах применяют при грунтовом и грунтово-напорном водном питании, а также на землях постоянно подтапливаемых со стороны водоемов и водотоков. Он состоит из дренажных скважин, проводящей и оградительной сетей, и его разделяют на систематический, выборочный и комбинированный.

Ограждение от поступления делювиальных, грунтовых и грунтово-напорных вод с водосбора осуществляют с помощью оградительной сети нагорных и ловчих каналов.

Нагорные каналы применяют при намывном делювиальном типе водного питания. Их располагают по верхней границе осушаемых земель.

Ловчие каналы применяют для перехвата и понижения уровня грунтовых и грунтово-напорных вод, поступающих с водосбора.

Защиту земель от затопления водами рек, озер, водохранилищ или регулирование затопления проводят при намывном аллювиальном типе водного питания, улучшая состояние русла реки. Для этого устраивают затопляемые или незатопляемые дамбы, которые превращают эти территории в польдерные системы.

Подпочвенное увлажнение применяют при грунтовом типе водного питания на легководпроницаемых грунтах значительной мощности с коэффициентом фильтрации более 1 м/сут и при малых уклонах местности.

Подпочвенное увлажнение разделяют на предупредительное и увлажнительное.

Предупредительное увлажнение заключается в заблаговременном перекрытии осушительной сети щитами шлюзов с целью максимальной аккумуляции грунтовых вод и атмосферных осадков на осушаемой территории.

Увлажнительное увлажнение применяют при наличии источника орошения, имеющего необходимое количество воды.

Дождевание используют на местности со слабопроницаемыми почвами и грунтами, с большими уклонами и при наличии развитого микрорельефа. При дождевании интенсивно увлажняется верхний слой почвы и оперативно регулируется вводно-воздушный режим в корнеобитаемом слое, повышается влажность не только в корнеобитаемом слое почвы.

Поверхностное самотечное увлажнение проводят в основном весенними паводковыми водами. Оно обеспечивает увлажнение и обогащение почвы кислородом и питательными веществами.

Системное регулирование водного режима

Системное регулирование водного режима осуществляют на межхозяйственных осушительно-увлажнительных системах. Системное регулирование водного режима заключается в управлении расходами и объемами отводимой и подводимой воды по отдельным массивам земель системы. Для этого массивы отделяют друг от друга продольными и поперечными дамбами, в дамбах и русле реки устраивают шлюзы-регуляторы, внутри обвалованных массивов – водораспределительную и водосборную сети.

Для составления системного плана регулирования водного режима необходимо иметь следующие основные материалы: расходы воды реки и ее основных притоков, объемы стока; объемы воды в водохранилищах; схему водосборной площади реки и речной сети; площади затопляемых земель по массивам, площади осушения и увлажнения.

Системные планы регулирования водного режима земель рассчитывают по двум периодам – весеннему и летнему.

Для весеннего периода рассчитывают пропуск и распределение паводковых расходов по массивам пойменных земель с целью их затопления. Затопление пойменных земель водами весеннего половодья проводят для влагозарядки, обогащения почв питательными веществами и кислородом, повышения температуры почвы на осушительно-увлажнительных и осушительных системах. Норма затопления составляет 2…4 тыс. м²/га.

Площадь затопления по массивам и на системе определяют в зависимости от расходов и уровней половодья. В маловодные годы можно затапливать не всю площадь системы, а только часть ее. Возможные удельные объемы, м³/га, затопления для каждого массива

М_з = W/F_з,

W – объем паводкового стока, м³

F_з – площадь затопления, га

Объемы, м³/га, и расходы, л/с, избыточной или недостающей воды для каждого массива

М_рег = М_з - М_п

М_п – принятая норма затопления.

Часть нормы затопления расходуется на впитывание в почву и испарение, а оставшаяся часть отводится по руслу реки.

Объем, м³/га, испарившейся зоны: Е₀ = 2,7 ∑t_з,

2,7 – интенсивность испарения с поверхности воды,

∑t_з – сумма среднесуточных температур воздуха за период затопления.

Объем, м³/га, избыточной воды на пойме, подлежащей отводу по руслу реки:

М_от = М_п - М_вп – Е₀.

Расчет системного регулирования водного режима в летний период заключается в сопоставлении потребности в воде для увлажнения земель с наличием ее в источнике орошения.

Потребность в воде для орошения по каждому временному периоду

q = М/86,4 t,

q – гидромодуль в расчетном периоде, л/с;

М – норма увлажнения за расчетный период;

t – число суток в расчетном периоде.

Для уменьшения максимальных расходов воды, перекачиваемой осушительной насосной станцией, рядом с ней устраивают неглубокий аккумулирующий бассейн. Объем, м³/га, откачиваемой с польдера избыточной воды определяют из уравнения водного баланса:

W_отк = W_ос + W_пов + W_гр + W_ф - W_исп – W_сам

W_ос – атмосферные осадки, м³

W_пов – поверхностные воды, поступающие с водосбора, м³

W_гр – грунтовые воды, дренируемые дренажно-коллекторной сетью,

W_ф – фильтрационные воды, поступающие из рек и водохранилищ,

W_исп – суммарное испарение,

W_сам – вода, отводимая с польдера самотеком, м³

Объемы откачиваемой воды зависят от типа польдеров и взаимосвязаны с модулями откачки. Основные типы незатопляемые и затопляемые. Последние разделяют на польдеры низкого и высокого уровней.

Польдеры низкого уровня расположены в дельтовой части поймы. Отметки их поверхности превышают меженный уровень воды в водоприемниках е более чем на 1 м. польдеры высокого уровня расположены выше по течению реки. Отметки их поверхности превышают меженный уровень воды в водоприемниках на 1..3 м.

При управлении режимом по уровням воды в аванкамере устанавливают эксплуатационные уровни по отдельным периодам в зависимости от нормы осушения. Для каждого периода определяют два эксплутационных уровня: верхний, обеспечивающий необходимую норму осушения, и нижний – рациональный режим работы насосов.

При управлении режимом работы насосных станций по заданным уровням грунтовых вод применяют датчики уровня грунтовых вод и датчики уровня воды в аванкамере. Датчики уровня грунтовых вод фиксируют его оптимальное положение в зависимости от фазы развития растений.

9. Понятие о формах и состоянии почвенной влаги, подвижности и степени доступности ее растениями

Зная влажность почвы необходимую для возделывания той или иной культуры легко определить норму осушения, при которой обеспечивается эта влажность, тоесть расстояние от поверхности земли до УГВ.

Норма осушения должна обеспечивать с одной стороны необходимую аэрацию, а с другой достаточную влажность почвы в течение вегетационного периода.

Существенное влияние на рост и развитие растения оказывает продолжительность поверхностного затопления. Продолжительность допустимого затопления с/х угодий зависит от состава возделываемых культур и от времени года.

Формы воды в почве

Вода в почве — один из основных ее компонентов. Она находится в сложном взаимодействии с твердой фазой.

Почвенная вода имеет большое значение, является одним из факторов плодородия и урожайности растений. От содержания и качества воды в почве зависят произрастание растений и деятельность микроорганизмов, процессы почвообразования и выветривания, производственная деятельность человека.

Основной источник влаги — атмосферные осадки, которые проникают в почву и заполняют ее поры. В почве влага активно взаимодействует с твердой фазой (частью) почвы. Передвижение влаги, ее доступность растениям зависят от состава и свойств почвы.

В естественных условиях почва обладает различной степенью влажности. Понятие «влажность» характеризует содержание воды в почве, выраженное в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объема почвы (объемная влажность).

В зависимости от подвижности и доступности растениям различают несколько форм воды в почве: 1) гравитационную; 2) капиллярную; 3) сорбированную; 4) парообразную; 5) грунтовую; 6) твердую; 7) химически связанную и кристаллизационную.

Непосредственно для питания растений имеет значение только гравитационная и капиллярная вода, а остальные формы почвенной влаги, кроме небольшой части пленочной, растениям недоступны.

Гравитационная вода заполняет капиллярные поры между структур­ными — отдельностями, по которым она передвигается под влиянием си­лы тяжести (отсюда и ее название).

Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, главным образом, внутри структурных отдельностей. Она может передвигаться в почве во всех направлениях.

Сорбированная вода удерживается на поверхности почвенных частиц сорбционными силами, то есть молекулы воды притягиваются к твердым частицам почвы и прочно удерживаются ими. Эту форму воды подразделяют на два вида: пленочную и гигроскопическую.

Пленочная вода окружает твердые частицы почвы в виде пленки, притягиваясь к ним под действием поверхностной энергии. Она передвигается только под влиянием молекулярных сил в разных направлениях, но всегда от более толстых пленок к тонким.

Пленочная вода определяет смачивание почвы, но растениям почти недоступна, так как притягивается к поверхности частиц твердой фазы почвы с силой в несколько тысяч атмосфер (от 6 до 10 тыс.).

Гигроскопическая влага представляет собой молекулы водяного пара, удерживаемые поверхностным притяжением почвенных частиц подобно тому, как удерживается пленочная вода. Поэтому гигроскопическая влага не принимает участия в газовом давлении окружающей среды и не способна передвигаться. Для растений она недоступна, полностью удаляется при высушивании почвы в течение нескольких часов при температуре 100—105 °С.

Свободная парообразная влага входит в состав почвенного воздуха в виде отдельных молекул водяного пара и поэтому принимает участие в газовом давлении и передвигается из мест с большей упругостью пара в места с меньшей упругостью. Она недоступна для растений, но при переходе в капельно жидкую может усваиваться ими.

Грунтовая вода — это влага водоносного слоя почвы, лежащего ниже почвенной толщи, удерживаемая слоем водоупора. Использование грунтовой воды растениями возможно, но при близком залегании и поднятии до корнеобитаемого слоя.

Твердая вода (лед) — переход влаги из жидкого состояния в твердое происходит у свободных форм влаги при температуре ниже 0 °С.

Химически связанная и кристаллизационная вода входит в состав молекул минералов в виде ионов. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллических веществ в виде молекул. Растениям эти формы воды недоступны.