Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ КРАСНОАРМЕЙСКОГО РАЙОНА КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

Сафронова Т.И. 1 Ананьева А.Е. 1 Степанов В.И. 2
1 ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»
2 Алтайский экономико-юридический институт
В статье приведены данные по орошаемому массиву Красноармейского района Краснодарского края. Срок эксплуатации оросительных систем в этом районе 40–60 лет и более. КПД каналов 0,65–0,84. По этим данным можно судить о низком техническом уровне магистральных и распределительных каналов оросительных систем. Фильтрационные потери из каналов в значительной степени определяют негативные изменения мелиоративно-гидрологической обстановки (подтопление земель, загрязнение грунтовых вод). Такая ситуация объясняется большой протяженностью каналов в земляном русле и низким качеством противофильтрационного покрытия русла канала. Эффективность использования воды, забираемой рисовой оросительной системой из естественных источников на нужды орошения, невелика. Фильтрация и сбросы воды из сети каналов и на полях приводят к усилению отрицательного воздействия на природную среду. Поэтому в работе обоснована противофильтрационная эффективность конструкций облицовок с применением бетонопленочного покрытия и покрытия с применением железобетонных плит.
оросительная система
каналы
фильтрационные потери
конструкции облицовок
1. Алимов А.Г. Методика обоснования и выбора конструкций противофильтрационных облицовок каналов // Вестник РАСХН. – 2009. – № 3.
2. Белов В.А. Полимерные противофильтрационные устройства малых водоемов в сложных инженерно-геологических условиях: диссертация кандидата технических наук. – Новочеркасск. 1984. – 270 c.
3. Водопользование на рисовых гидромелиоративных системах нижней Кубани: монография / Ю.А. Свистунов, А.Ю. Галкин, А.Ю. Свистунов, С.Н. Якуба. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – 295 с.
4. Косиченко Ю.М. Состояние и пути повышения технического уровня оросительных систем на юге России / Ю.М. Косиченко, Г.А. Сенчуков, А.С. Капустян // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. – 2011. – № 4(04).
5. Мелиорации служить призваны. – Краснодар: Соната-принт, 2010. – 160 с.
6. Сафронова Т.И. Предупреждение потерь воды на каналах рисовых оросительных систем / Т.И. Сафронова, Г.В. Дегтярев // Научный электронный журнал КубГАУ. – 2006. – № 02(18).

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]

safronova01.wmf (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

safronova02.wmf

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 safronova07.wmf:

safronova03.wmf (2)

где Qбп, Qф – фильтрационные потери из канала соответственно с бетонопленочной облицовкой и из необлицованного канала.

safronova04.wmf

Коэффициент эффективности не должен превышать safronova05.wmf. В противном случае данный тип облицовки не рекомендуется и, следовательно, чем меньше данный коэффициент – тем выше эффективность облицовки.

Для распределительного канала Р-22 получаем

safronova06.wmf

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 safronova07.wmf:

safronova08.wmf (3)

где Qб – фильтрационные потери из канала с бетонной облицовкой при нарушениях бетона; Qф – из земляного необлицованного канала.

safronova09.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Сафронова Т.И., Ананьева А.Е., Степанов В.И. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ КРАСНОАРМЕЙСКОГО РАЙОНА КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 5. – С. 85-89;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35903 (дата обращения: 02.12.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074