На сегодняшний день в Краснодарском крае площадь орошаемого фонда земель составляет 390,8 тыс. га. Массив «Правобережье» располагается на территории Красноармейского и Калининского районов и включает в себя три оросительные системы: Кубанскую, Марьяно-Чебургольскую и Пануро-Калининскую. Общая площадь оросительной системы в пределах Красноармейского района – 84354 га (21,6 % от общего числа орошаемых земель края). В состав мелиоративного комплекса района входит сеть оросительных и сбросных каналов общей протяженностью 7905 км, в т.ч. межхозяйственных – 577 км [5].
Подача воды на Кубанскую оросительную систему осуществляется с верхнего бьефа Федоровского гидроузла. Водозабор на Марьяно-Чебургольскую оросительную систему осуществляется из р. Кубани в подпоре Федоровского гидроузла по каналу Р-2. Пануро-Калининская оросительная система осуществляет водозабор из магистрального канала через гидроузел № 3 [5]. Таким образом, подача воды на систему осуществляется по магистральному каналу, где на конкретные участки вода подается посредством распределительных каналов различного порядка. Красноармейский филиал начал свою работу в 1931 году. Так как срок эксплуатации оросительных систем 40–60 лет и более, необходимо оценить эксплуатационную надежность и гидравлическую эффективность каналов по их состоянию на сегодняшний день.
Важным фактором воздействия на окружающую среду являются фильтрационные потери из магистральных и распределительных каналов. Величина этих потерь в значительной степени определяет негативные изменения мелиоративно-гидрогеологической обстановки (подтопление земель, загрязнение грунтовых вод) [3].
Эффективность использования воды, забираемой рисовой оросительной системой из естественных источников на нужды орошения, невелика. Существующие виды потери воды можно разделить на три группы [6].
1. Технологически неизбежные потери (испарение из каналов, на полях, а также транспирация).
2. Технические потери, устранимые совершенствованием систем орошения.
3. Потери 3-й группы вызываются недостатками управления режимом орошения и водораспределения на сети. Большие потери могут возникнуть из-за превышения водозабора в оросительную систему по сравнению с текущей потребностью в поливной воде. Избыток в лучшем случае возвращается в оросительную сеть или накапливается в регулирующих емкостях. А в некоторых случаях лишняя вода может стекать в замкнутые понижения местности, питая грунтовые воды и т.п. Большие потери происходят также в межхозяйственных каналах [6].
Такие потери воды в сочетании с техническими потерями могут превышать 50 % от водозабора. При этом энергоресурсы и человеческий труд, затраченные на водоподъем, водоподачу и проведение поливов, расходуются неэффективно. Кроме того, фильтрация и сбросы воды из сети каналов и на полях приводят к усилению отрицательного воздействия на природную среду.
К 1990 г. в дельте р. Кубань практически закончилось мелиоративное и водохозяйственное строительство. В предшествующий период развитие мелиорации традиционно было направлено на увеличение объема располагаемых водных и земельных ресурсов с целью расширения производства сельскохозяйственной продукции. Ограниченность природных ресурсов во внимание не принималась, вследствие чего резко возросли затраты водных ресурсов на единицу продукции и существенно ухудшилась почвенно-мелиоративная и экологическая обстановка. Выполненные к 1990 г. работы по реконструкции оросительных систем и совершенствованию техники полива, хотя и дали некоторый результат, но в целом не изменили общей направленности развития геосистемы [6].
Активное развитие рисоводческой деятельности в Краснодарском крае сопровождалось подтоплением земель и ухудшением их мелиоративного состояния. Урожайность основных выращиваемых сельскохозяйственных культур, в том числе и риса, снизилась.
Появились заброшенные и неиспользуемые по причине засоления и подтопления земли, на не поливаемых из-за недостатка воды рисовых системах наблюдается процесс засоления. Территория дельты р. Кубань, согласно эколого-ландшафтному зонированию, по комплексной экологической оценке на сегодня является кризисной, в степени от слабой до сильной с прогнозным ухудшением экологической обстановки и с повышенной вероятностью подтопления [6].
КПД каналов рисовой оросительной системы в Красноармейском районе колеблется между 0,65–0,84, в среднем этот показатель за многолетний период составляет 0,76. Нормативное значение КПД магистральных и распределительных каналов должно составлять не менее 0,90–0,93 (СНиП 2.06.03-85). Согласно полученным данным можно судить о низком техническом уровне магистральных и распределительных каналов оросительных систем. Данная ситуация складывается из-за большой протяженности каналов в земляном русле и плохого противофильтрационного покрытия русла канала.
Необходимо рассмотреть и подобрать возможные варианты противофильтрационных мероприятий.
Для уменьшения фильтрационных потерь в каналах рекомендуется:
1) искусственный кольматаж (в поток вводятся глинистые или илистые частицы);
2) искусственное уплотнение грунтов путем укатки или трамбовки;
3) осолонение грунта (поливка предварительно разрыхленной поверхности откосов и дна канала раствором хлористого натрия (3–5 кг/м2) и отсыпкой из песка в несколько сантиметров). При этом потери на фильтрацию снижаются примерно в 10 раз;
4) искусственное оглеение грунта, т.е. создание условий для образования так называемого глея – слоя почвы, формирующегося в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий. Органические вещества вносятся в виде соломы, камыша, которые укладываются на откосы и дно канала под слой грунта. В результате образуются газы, растворимые вещества, спирты, кислоты. Водонепроницаемый слой увеличивается в течение нескольких лет в 4–5 раз. Коэффициент фильтрации снижается в десятки и сотни раз. В южных районах процесс оглеения происходит наиболее полно и быстро;
5) нефтевание ложа канала (на 1 м2 поверхности канала расходуется 4–5 кг нефти и 5–8 кг известкового молока).
Эффективным, хотя и дорогостоящим мероприятием в борьбе с подтоплением и вторичным засолением земель является применение средств противофильтрационной защиты на оросительных системах – облицовка каналов, сокращающая потери воды, а также предохраняющая их от возможных деформаций в процессе эксплуатации [6].
Противофильтрационные мероприятия позволяют получить уменьшение потерь на фильтрацию и повышение коэффициента полезного действия канала, а также позволяют предотвратить подтопление и засоление прилегающих к каналу территорий. Как следствие, получаем: улучшение мелиоративного состояния орошаемых земель и качества воды, транспортируемой по каналам; повышение эксплуатационной надежности и гидравлической эффективности каналов [1].
Применение противофильтрационных облицовок рекомендуется в том случае, когда ожидаемые фильтрационные потери больше допустимых (qдоп) и фильтрация из каналов (Qф) сопровождается подъемом уровня грунтовых вод (hкр), вызывающим подтопление и засоление орошаемых земель (Dh). При условии qдоп < 11,6Qф; hкр > Dh [1].
Допустимые потери воды определяют по формуле [1]
(1)
где Q – расход воды, транспортируемой по каналу на расстояние 1 км без потерь, л/с; ŋ – КПД канала в соответствии с СНиП.
Рассмотрим распределительный канал Р-2 в земляном русле. Получаем
Qф – (фильтрация из каналов) составляет 0,23, т.е. неравенство qдоп < 11,6Qф в данном случае полностью выполняется [1].
В расчетах использовали «Методику обоснования и выбора конструкций противофильтрационных облицовок каналов», предложенную А.Г. Алимовым [1]. Для канала Р-2 рекомендуем бетонопленочное покрытие. Данное покрытие является необходимым на деформируемых грунтах с неравномерными деформациями до 5 см, скорости течения потока в канале = 0,5…10 м/с [1].
Необходимо оценить эффективность данного покрытия по коэффициенту 
:
(2)
где Qбп, Qф – фильтрационные потери из канала соответственно с бетонопленочной облицовкой и из необлицованного канала.
Коэффициент эффективности не должен превышать 
. В противном случае данный тип облицовки не рекомендуется и, следовательно, чем меньше данный коэффициент – тем выше эффективность облицовки.
Для распределительного канала Р-22 получаем
Следуя предложенной методике для канала Р-22 – в качестве противофильтрационных мероприятий рекомендуем сборную облицовку из железобетонных плит. Она подходит также для деформируемых грунтов с неравномерными деформациями до 5 см и более, но скорости течения потока в канале = 0,5… 5 м/с [1].
Оценим эффективность данного покрытия по коэффициенту 
:
(3)
где Qб – фильтрационные потери из канала с бетонной облицовкой при нарушениях бетона; Qф – из земляного необлицованного канала.
Следовательно, предложенные виды противофильтрационных мероприятий будут в данном случае высокоэффективными.
На основании приведенных расчетов видно, что коэффициент полезного действия системы или отдельного какого-то канала оказывается ниже предусмотренного СНиП. Тогда предложения о проведении противофильтрационныx мероприятий являются обоснованными и необходимыми для проведения.
Методика обоснования и выбора конструкций противофильтрационных облицовок каналов А.Г. Алимова [1].
|
Характеристика основания |
Тип облицовки |
Условия (требования) эксплуатации канала |
Конструктивные мероприятия по повышению надежности облицовок каналов |
|
Недеформируемые грунты |
Сборная из железобетонных плит |
Скорость движения воды в канале V = 0,5…5 м/с |
Омоноличивание железобетонных плит в крупные карты и заполнение деформационных швов с высокими деформативными свойствами (полимерные и битумно-полимерные мастики) |
|
Деформируемые грунты с неравномерными деформациями до 5 см |
-»- |
V = 0,5…10 м/с |
Бетонопленочные покрытия |
Обычно для борьбы с фильтрацией из каналов используются конструктивные, механические и физико-химические методы. К конструктивным методам относятся противофильтрационные облицовки (бетонные, асфальтовые, глиняные); водонепроницаемые экраны из полимерных пленок, глин и суглинков, бентонитовых глин. К механическим методам относятся кольматация и уплотнение грунта. Физико-химические методы – нефтевание, солонцевание, оглеение и т.п [2].
Монолитные ложа каналов выполняют из гидротехнического бетона на гидрофобном пластифицированном портландцементе марки не ниже 400. Толщина монолитной облицовки составляет 0,1…0,25 м [2]. Монолитная облицовка для ложа канала может ограниченно применяться из-за деформации грунта по ложу канала, если производить укладку на деформируемых грунтах – в процессе эксплуатации канала может возникнуть растрескивание облицовки.
Также возможна установка облицовки канала из полимерных пленок толщиной 0,2…0,4 мм. При установке пленочного экрана необходимо предусмотреть защитный слой – им может быть грунт, который укладывают по верху пленки. Такие покрытия снижают фильтрационные потери на 96–98 %. Асфальтобетонные покрытия – снижают фильтрационные потери лишь на 36 %. Такие экраны обычно применяют на просадочных и набухающих основаниях каналов [2]. При просадке основания ложа канала до 30–40 см вероятность разрыва пленочного покрытия минимальна или даже не наблюдается.
Полимерные экраны имеют высокую прочность при растяжении, высокую гибкость и водонепроницаемость, а также химическую и биологическую стойкость. Для противофильтрационной защиты ложа канала наиболее распространены полиэтиленовые пленки; применяются также поливинилхлоридные и пленки из сополимера этилена с пропиленом. Долговечность экранов из полиэтиленовой пленки составляет более 40 лет. К недостаткам, ограничивающим применение полимерных экранов для ложа водохранилищ, относятся высокая стоимость пленки, ее повреждаемость, сползание водонасыщенного грунта по поверхности пленки и ряд других проблем [2].
Выводы
Площади посева риса за последние 15 лет снизились более чем в 2 раза, а потребление воды изменилось незначительно. Необходимость поддержания заданных горизонтов воды на рисовых системах зачастую вступает в противоречие с требованиями экономии оросительной воды. В условиях ухудшения технического состояния гидротехнических сооружений сбросных и оросительных каналов, плохого состояния водоучета это приводит к большим непроизводительным потерям.
Переувлажнение почв (естественное или антропогенное) наступает при влажности выше предельной полевой влагоемкости. Почва переходит в пластичное или текучее состояние. Меняются ее геологические, текстурные и другие параметры.
Из-за низкой фильтрации почв рисовой оросительной системы происходит подтопление прилегающих территорий. Подтопление земель особенно опасно в низовьях р. Кубань (пойменные земли), где грунтовые воды сильно минерализованы.
Нами проанализированы ранее проведенные исследования в области противофильтрационных конструкций. Получены расчетные зависимости для оценки водопроницаемости бетонопленочных облицовок и грунтопленочных экранов различными методами.
Противофильтрационные мероприятия были выбраны и обоснованы по методике, предложенной А.Г. Алимовым «Методика обоснования и выбора конструкций противофильтрационных облицовок каналов». Основываясь на методических указаниях и расчетном обосновании, была доказана высокая надежность и противофильтрационная эффективность конструкций облицовок с применением бетонопленочного покрытия и покрытия с применением железобетонных плит.