Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

СУЧАСНІ СИСТЕМИ ДРЕНАЖУ

Меліорація як комплекс сільськогосподарських заходів щодо поліпшення гідрологічни, ґрунтових і агрокліматичних умов з метою підвищення продуктивності земельних і водних ресурсів включає два найважливіших завдання – підведення води, якої бракує, (зрошення) та відведення надлишкової води (осушення), тобто відводу надлишкової води.

Є два джерела надмірної вологи:

– вода, що надходить зверху, – талі або дощові води;
– вода, що надходить знизу, – підземні джерела.

Якщо ґрунт добре структурований, то надлишкова вода сама вільно відводиться з поля в кількостях, достатніх для зростання врожаю та проведення польових робіт без будівництва штучних дренажних систем. В іншому випадку надмірна волога спричинює ризик шкідливого для врожайності підвищення рівня ґрунтових вод та заболочування полів. Дренування полів є необхідним у наступних ситуаціях:

● Важкі глинисті ґрунти. Такі ґрунти мають низьку водопроникність і без дренажу можуть заболочуватися на тривалий час, особливо в зонах з рясними дощами.

● Середньо-структуровані ґрунти в зонах з рясними дощами. Тут дренаж може бути необхідним для зниження тенденції до компактифікації та ущільнення ґрунту.

● Легкі піщанисті ґрунти. Вони мають високу водопроникність, проте дренаж може бути необхідним для контролю рівня ґрунтових вод у зонах пониження рельєфу.

● Аридні зони, що потребують рясного поливу для забезпечення врожайності. Тут дренаж необхідний для запобігання переущільненню ґрунту іта збереження його водо- та повітропроникності.

● Підземні джерела. Дренаж використовується для перехоплення підземних вод до того, як вони вийдуть на поверхню. Це дозволяє запобігти ерозії ґрунту, скоротити заболочування полів і витоптування пасовищ, а також деградацію ґрунту у випадках, коли підземні джерела мають високий рівень кислотності чи засолення.

Користь від дренування полів істотна. Бувають такі роки, коли дренаж є вирішальним фактором, що визначає отримання врожаю. Від дренажу часто залежить також можливість застосування техніки для обробки поля та збирання врожаю.

Хороший дренаж зменшує поверхневий стік, небезпечний з точки зору збереження родючих верхніх шарів ґрунту в разі зливових опадів. Збільшення підземної складової стоку знижує ризик повеней та ерозії ґрунту не тільки в межах даного поля, а й далі, в напрямках стоку вздовж усього водного басейну.

Ще ряд позитивних ефектів дренажу зумовлює поліпшенням росту рослин:
– більш швидкий прогрів ґрунту навесні покращує проростання насіння;
– поліпшення умов існування ґрунтових організмів;
– поліпшення доступу води та кисню до коренів рослин;
– поліпшення поглинання рослинами мінерального азоту ґрунту.

Вигідність дренування полів у сільському господарстві визнана в усьому світі. В Англії та Уельсі дренажними системами оснащено 6,4 млн. гектарів сільськогосподарських земель. У Білорусі дренувано близько 3 млн. гектарів, що становить третину всіх сільськогосподарських полів у цій країні. Дренажні системи інтенсивно будуються та експлуатуються в Європі та Північній Америці, в Індії та Пакистані, в Колумбії та Венесуелі, в Австралії та Новій Зеландії.

Установка дренажу – дорогий захід. Реальні вигоди від його проведення суттєво залежать від клімату, типу ґрунту, призначення земель. Установка дренажних систем завжди вимагає ретельного аналізу як потенційного підвищення врожайності, так і можливого впливу на екологічні системи довкілля.

Для оцінки передбачуваних результатів дренування використовується метод аналізу співвідношення «ефект-витрати». Стаття «ефект» включає такі позиції, як, наприклад, підвищення врожайності, зниження витрат на внесення гербіцидів, зниження витрат на глибоку оранку та культивацію земель.

Стаття «витрати» включає первинні витрати на проектування та будівництво дренажної системи, а також витрати на щорічне обслуговування дренажної системи, які невеликі й оцінюються на рівні 1 % від первинних витрат.

У середньому ефективність будівництва дренажних систем оцінюється на рівні 25 % та вище.

Практика будівництва та експлуатації дренажних систем у світі показує, що термін окупності первинних капіталовкладень становить приблизно 10-12 років. При правильній установці термін служби дренажної системи – не менше 20 років, а багато діючих систем успішно функціонують десятиліттями. Тому дренаж як довгострокова інвестиція – це потужний важіль підвищення продуктивності сільського господарства в усьому світі.

Дренажна система

Дренажна система селянського поля – це завжди унікальна споруда, координована з рельєфом місцевості, видами ґрунтів, кліматичними умовами, джерелами надлишкової води, видами рослин, що культивуються. У загальному випадку система має відкриті (канали) та закриті ділянки, тобто встановлені під поверхнею землі колектори та дрени (рис. 1).



Рис. 1. Типова дренажна система:
1 – водоприймач (канал, річка тощо); 2 – магістральний канал; 3 – закритий колектор; 4 – поздовжні дрени (дренажні труби); 5 – оглядовий колодязь; 6 – нагорний водовідвідний канал; 7 – бічні канали

Колектори та дрени укладаються в траншеї шириною зазвичай 35-40 см і глибиною 1-1,8 м. У деяких проектах глибина траншеї може досягати 3,6 м (для дрени) і 4,0 м (для колектора), а ширина відповідно – 650 і 1100 мм. Вода по дренах, колекторах та каналах рухається самопливом.

У залежності від рельєфу відкриті канали можуть мати різну глибину. На рівній ділянці з мінімальними ухилами глибина каналу складає 1,5 м, на більш рельєфному – менше 1,5 м. Для тих чи інших проектів ці дані можуть істотно відрізнятися. Діаметр дрени становить зазвичай 60-100 мм, а колектора – до 100-120 мм. У окремих проектах використовуються дрени та колектори значно більшого діаметра. Дренажна система повинна мати ухил: 0,002-0,005 м на 1 м для труб діаметром 90-100 мм, а для труб більшого діаметра ухил робиться більше.

Проектування дренажу

Проектування – відповідальний етап будівництва дренажу, від якого залежить працездатність і довговічність дренажної системи. При цьому необхідно враховувати такі параметри:

– загальний малюнок дренажної мережі, який визначається рельєфом та напрямками підземного течії води;
– ухил та діаметр дрен;
– відстань між дренами;
– глибина залягання дрен;
– пристрій гирлової частини, каналів, оглядових колодязів тощо.

Сучасні системи проектування забезпечують високий рівень автоматизації проектних робіт на всіх етапах:

● Збір даних. Сучасним рішенням є транспортний зонд, оснащений засобами супутникового зв'язку, який об'їжджає поле, фіксуючи необхідні топографічні відомості. При цьому оператор не покидає свого водійського місця, а рухом зонда може управляти автопілот, який гарантує повне покриття поля.

● Аналіз. Система забезпечує комп'ютерну візуалізацію поля із зазначенням його форм та ухилів; визначає зони водоподілу для розміщення каналів, колекторів та дрен; конфігірує контури топографії; відстежує напрямки природних стоків вод; проектує зображення польового аналізу на зображення аерозйомки для контролю даних в інших аспектах.

● Проектування. Розробка всієї дренажної системи, включаючи горизонтальне розміщення дрен, колекторів і каналів, оптимальний розподіл глибин та ухилів дренажної системи з урахуванням рівнів ґрунтових вод і з метою мінімізації втрат поживних речовин ґрунту.

Результатом проектування є тривимірний електронний проект, який управляє дренажною машиною (дренажним траншеєкопачем) для точної прокладки підземних труб і поверхневих каналів як у горизонтальній проекції, так і по глибинах-ухилах у вертикальній площині.

Управління ухилом при прокладанні дренажної труби – найважливіша складова технології будівництва дренажної системи.
Для цієї мети перш за все були впроваджені системи лазерного управління, які вздовж напрямку прокладання дренажу «провішують» необхідну похилу площину. Джерелом лазерного променя є передавач, який, обертаючись, формує лазерну площину. Налаштування цієї площиніи – завдання геодезиста. Чутливим елементом є приймач лазерного променя, який вимірює відхилення робочого органу траншеєкопача від заданої площини. Далі коригувальний електричний сигнал надходить на орган управління глибиною проходки траншеї.

На зміну лазерним системам йдуть глобальні навігаційні супутникові системи (ГНСС). Супутникові системи провідних виробників (наприклад, Trimble) забезпечують повну автоматизацію як розробки, так і реалізації проекту дренажної системи. Супутникова система Trimble здійснює не тільки управління ухилом, а й автоматичне, синхронне з переміщенням дренажної машини, протоколювання на тривимірній електронній карті істинного розташування дренажних труб і каналів з подальшою передачею даних на зберігання в електронній формі.

Таким чином, одна система виконує передачу даних з поля в офіс для тривимірного аналізу та проектування, з офісу в поле для управління дренажною машиною, з поля назад в офіс для зберігання даних – і все це здійснюється по бездротових каналах, що зберігає робочий час, забезпечує цілісність даних і виключає ризик їх втрати чи спотворення.

Дренажні машини

Машини для прокладки дрен та колекторів поділяються на дві основні категорії:
– дренажні траншеєкопачі;
– дренажні плуги.

Робочим інструментом дренажного траншеєкопача є безперервний ланцюг, оснащений ріжучими інструментами (різцями, лопатками) для розробки породи та винесення її на поверхню. Базові компоненти типового дренажного траншеєкопача наведені на рис. 2.


Рис. 2. Дренажний траншеєкопач:
1 – копальний механізм, що дозволяє проходити траншеї різної ширини (для відповідності різним діаметрам дренажної труби) та різної глибини (для забезпечення правильного ухилу як на плоских, так і на нерівних ділянках); 2 – приймач лазерної системи управління ухилом дренажної труби; 3 – гідростатичний привід копального ланцюга, придатний для проходження як легких, так і важких ґрунтів; 4 – кабіна оператора; 5 – дизельний двигун, гідравлічна система, системи фільтрації та охолодження, розраховані на роботу в широких кліматичних умовах; 6 – тримачі бобін з гідравлічним приводом для швидкої та зручної роботи з дренажної трубою; 7 – потужна гусенична ходова частина з широкими траками низького опорного тиску для роботи на зволожених ґрунтах, що коливається для підтримки оптимального тягового зусилля на нерівному ґрунті

Дренажний траншеєкопач – це високоспеціалізована машина, копальний механізм якої істотно відрізняється від стандартного траншеєкопача.

Стандартний траншеєкопач іноді використовується як дренажний (з метою «все одно що, аби подешевше»), має тільки одну вісь, навколо обертається копальний механізм. Така кінематика не забезпечує необхідної точності витримування глибини та ухилу дренажної траншеї.

Кінематика дренажного траншеєкопача включає дві осі повороту копального механізму, за рахунок чого дренажна труба вкладається ідеально точно, незалежно від рельєфу місцевості, по якій рухається сама машина. Таке технічне рішення складніше (і дорожче), проте воно, на відміну від стандартного механізму, вирішує поставлені завдання.

Дренажний плуг має таку ж складну кінематику, але вже не копального, а ріжучого механізму. Плуг не розробляє, а прорізає ґрунт, менше пошкоджує його і не потребує зворотної засипки на відміну від траншеєкопача. Така робота вимагає від машини більших ваги та потужності в порівнянні з ланцюговим траншеєкопачем.

Дренажний плуг може бути прямий (вертикальний) або V-подібний, причому другий варіант взагалі не порушує родючий сільськогосподарський ґрунт, оскільки не розкриває та не розсовує, а лише піднімає його.


Рис. 3. V-подібний дренажний плуг

Переваги V-подібного плуга можна оцінити, наприклад, при дренуванні пасовищ. У такій ситуації не потрібно забирати стада з поля, оскільки машина не залишає за собою ні траншей, ні прорізаних щілин, тобто ризик того, що корова, потрапивши в таку перешкоду, зламає ногу, відсутній.

Визнаним світовим лідером у виробництві дренажних машин є англійська компанія Mastenbroek. У діапазоні дренажних траншеєкопачів Mastenbroek виробляє такі моделі:

– траншеєкопачі для спортивних полів і садів: потужність 130-220 к.с., глибина траншеї 0,25-1,8 м, ширина – 120-500 мм;
– дренажні траншеєкопачі для дрен: потужність 260-400 к.с., глибина траншеї 0,4-3,6 м, ширина – 120-650 мм;
– дренажні траншеєкопачі для колекторних труб: потужність 440-600 к.с., глибина траншеї 1,8-4 м, ширина – 130-1100 мм.
Дренажні плуги Mastenbroek мають наступні основні параметри:
– стандартні прямі та V-подібні плуги: потужність 335-400 к.с., глибина траншеї 0,25-1,8 м, максимальний діаметр труби – 165-200 мм, вага – 26-34 т;
– плуги під замовлення: найбільший дренажний плуг Mastenbroek має вагу понад 80 т.

Дренажні труби

Дренажна труба – найважливіший компонент технології дренування, від якого залежить довговічність і надійність дренажної системи в цілому.

У даний час найпоширенішими стали перфоровані полімерні труби, які підходять для дренажу як ніякі інші. Виготовляються вони зазвичай з ПЕ або ПВХ. Полімерні труби мають очевидні переваги: невелика вага, простота монтажу, завдяки гофрованій стінці перфорація не забивається брудом (особливо в разі застосування фільтруючих елементів). Труби з поліетилену, крім того, є гнучкимми, що дозволяє випускати ряд типорозмірів у бухтах.

Дренажні труби мають заводську перфорацію, схема якої визначається умовами роботи дренажу. Вони комплектуються системами фільтрації з геоткані чи кокосового волокна. З'єднуються між собою муфтами з ущільнювальними кільцями. Можлива глибина закладання труби залежить від її кільцевої жорсткості.

Рис. 4. Двошарові поліетиленові труби ПЕРФОКОР

У даний час на українському ринку поширені двошарові поліетиленові труби ПЕРФОКОР з різними схемами перфорації (рис. 4). Конструкція профілю їх стінки забезпечує низьку матеріаломісткість виробу, високу кільцеву жорсткість, гладку внутрішню поверхню. Труби ПЕРФОКОР відзначаються чудовою стійкістю до агресивного впливу ґрунтових вод і навантажень, що виникають під час встановлення та експлуатації, легкістю монтажу, довговічністю, а також чудовим співвідношенням «якість/ціна».

 Автори: Садиков Ф.Р., проф., д.т.н.; Баймуканов М.Н.
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА