Улучшение мелиоративного состояния осушаемых сельскохозяйственных земель польдерного массива в Славском районе Калининградской области
Целью работы являлось проведение анализа мелиоративного состояния осушаемых сельскохозяйственных земель, уровенного режима грунтовых вод и технического состояния гидротехнических сооружений польдера, а также выбор мероприятий по их улучшению. Материалами исследований выступили измерения, проводимые на польдере в течение 15 лет федеральным государственным унитарным предприятием «Калининградский гидрогеолого-мелиоративный и научный центр», Калининградским отделом Северного научно-исследовательского института и федеральным государственным бюджетным учреждением «Управление «Калининградмелиоводхоз».
Во время исследования было выявлено, что эксплуатационная надежность гидротехнических сооружений колеблется в пределах 30-70 %, что не отвечает требованиям нормативных документов. Около 40 % площади польдера на сегодняшний день имеет неудовлетворительное мелиоративное состояние. Насосная станция имеет изношенное насосное оборудование с избыточной мощностью и напором. В работе обосновано использование эксплуатационных уровней откачки воды насосной станцией № 20а для предпосевного, вегетационного и осенне-зимнего периодов. В процессе исследования была установлена связь между абсолютными отметками залегания грунтовых вод и абсолютными отметками поверхности земли, из которой видно, что посевы сельскохозяйственных культур целесообразно проводить на абсолютных отметках поверхности земли 0,50-1,55 м. Из работы можно сделать вывод о необходимости в следующих мероприятиях: повышение эксплуатационной надежности правобережной дамбы р. Немонинка, замена насосно-силового оборудования насосной станции энергосберегающим с напором 2,57 м, очистка магистральных и открытых каналов, использование обоснованных эксплуатационных уровней откачки воды насосной станцией, корректировка режима откачки воды насосной станцией с использованием мониторинга уровенного режима грунтовых вод, использование построенной в работе зависимости для выбора мест, где будет осуществляться посев сельскохозяйственных культур.
В настоящее время актуальной темой для обсуждения является интенсивное развитие сельскохозяйственного комплекса на территории Российской Федерации [1-3]. Польдерные земли Калининградской области имеют высокое потенциальное плодородие, что важно для эффективного сельскохозяйственного производства. Одними из основных задач при ведении качественного сельского хозяйства являются оценка, выявление особенностей и поддержание необходимого водного режима сельскохозяйственных земель [4-7].
Общая площадь Калининградской области с заливами составляет 1512,5 тыс. га, площадь суши равна 1351,2 тыс. га. Площадь осушаемых земель области по состоянию на 1 января 2018 г. составляет 1047,8 тыс. га, в т. ч. земель сельхозпроизводителей - 594,5 тыс. га. В области имеется около 100 тыс. га польдерных систем, расположенных на землях с наиболее высоким плодородием [8].
Самый крупный польдерный массив располагается на территории Неманской низменности в Славском районе. Он представляет собой ряд отдельных польдерных систем с осушительными насосными станциями, отводящими избыточную воду с площадей в реки-водоприемники и Куршский залив с целью поддержания необходимого уровня грунтовых вод. В этот массив также входит польдер насосной станции № 20а.
Основная часть земель польдера насосной станции № 20а представлена осушаемыми сельскохозяйственными землями и в настоящее время используется достаточно интенсивно (выращиваются зерновые культуры, рапс и т. д.). На используемых землях из-за частичного переувлажнения требуется улучшение мелиоративного состояния, для этого необходимо выполнить ремонтные работы на открытых каналах и закрытом дренаже. Остальные земли с открытой регулирующей сетью каналов используются экстенсивно, здесь расположены естественные сенокосы и пастбища, но из-за неудовлетворительного мелиоративного состояния наиболее ценные многолетние травы отсутствуют. На сегодняшний день там растут травы, выдерживающие достаточно продолжительные затопления. На этих площадях требуется реконструкция осушительной сети.
Откачка воды производится осушительной насосной станцией № 20а. Насосно-силовое оборудование установлено в 1986 г. и имеет 3-4-кратный износ. Насосная станция нуждается в реконструкции.
Польдер защищен от затопления со стороны р. Немонинка правобережной дамбой.
Часть польдера по существующей классификации относится к польдерам низкого уровня с абсолютными отметками земли до 1 м БС, а другая к польдерам среднего уровня с абсолютными отметками земли от 1 до 3 м БС.
Земли польдера используются под пашню и кормовые угодья. Территория польдера представлена торфяно-болотными почвами, расположенными на участках с пониженными отметками. Повышенные отметки характеризуются аллювиально-болотными и аллювиальными почвами [9].
В сложившихся условиях тип водного питания грунтовый, включающий в себя атмосферные осадки и приточность грунтовых вод за счет фильтрации из р. Немонинка на польдер через тело и основание дамбы.
Цель работы - анализ мелиоративного состояния осушаемых сельскохозяйственных земель, уровенного режима грунтовых вод и технического состояния гидротехнических сооружений польдера, а также выбор мероприятий по их улучшению.
Для достижения цели требуется решение следующего ряда задач:
- рассмотрение методов и результатов оценки мелиоративного состояния осушенных сельскохозяйственных земель польдера;
- определение эксплуатационной надежности: участка правобережной дамбы р. Немонинка, оборудования насосной станции № 20а и магистрального канала М-20;
- исследование особенностей формирования уровенного режима грунтовых вод на польдере;
- обоснование эксплуатационных уровней откачки воды насосной станцией № 20а;
- выбор энергоэффективного оборудования насосной станции при ее реконструкции;
- оценка устойчивости низового откоса дамбы;
- расчет экономической эффективности мероприятий по улучшению мелиоративного состояния польдера;
- выбор мероприятий по улучшению состояния правобережной дамбы и технического состояния открытой осушительной сети польдера.
Материалы и методы. Материалами исследования стали:
- результаты измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе насосной станции № 20а, проводившихся ФГБУ «Управление «Калининградмелиоводхоз» в 2000-2002 гг.;
- результаты исследований влияния заложения глубины грунтовых вод на урожайность многолетних трав, проведенных Калининградским отделом Северного НИИ гидротехники и мелиорации в 1987 г.;
- результаты измерений уровня грунтовых вод и абсолютных отметок поверхности земли польдера, проведенных ФГУП «Калининградский гидрогеолого-мелиоративный и научный центр» в начале полевых работ в середине апреля 2001 г.;
- параметры для расчета различных характеристик гидротехнических сооружений польдера и результаты мелиоративной оценки сельскохозяйственных земель польдера, предоставленные ФГБУ «Управление «Калининградмелиоводхоз».
Расчет эксплуатационной надежности и гидравлических характеристик гидротехнических сооружений, а также оценка устойчивости низового откоса правобережной дамбы р. Немонинка производился по методам, описанным в действующих нормативных документах по данной тематике [10-19]. Режим откачки был определен по расчетным эксплуатационным уровням в аванкамере насосной станции, данный метод предложен В. А. Филатовым и является общепризнанным [20]. Исследование особенностей формирования уровенного режима грунтовых вод на польдере и выбор энергоэффективного оборудования насосной станции на основе среднего геодезического напора производились при помощи методов обработки гидрологической информации [21].
Результаты и обсуждение. В работе были рассмотрены методы и результаты оценки мелиоративного состояния осушенных сельскохозяйственных земель польдера. По результатам обследования 1997 г. состояние земель оценивалось для умеренно влажного периода как хорошее для 500 га, удовлетворительное для 1100 га, неудовлетворительное для 330 га. В 2000 г. для сухого периода - как хорошее для 1700 га, удовлетворительное для 230 га. В 2017 г. для крайне влажного периода - как удовлетворительное на площади 1130 га (участки с точками 1-8, 11-13) и неудовлетворительное на площади 800 га (участки с точками 9, 10, 14-19) (рисунок 1) [22-24].
Рисунок 1. Схема польдера насосной станции № 20а (масштаб 1:50000)
Исходя из требований, представленных в федеральных законах и сводах правил [10-15], был произведен расчет эксплуатационной надежности основных гидротехнических сооружений польдера. Эксплуатационная надежность дамбы при 3 % расчетной обеспеченности максимальных уровней воды в реке в среднем составляет 45 %, что не отвечает общепринятым рекомендациям в 95-99 %, особо низкая надежность обнаружена на участке с пикетами 130-140, там надежность равна 20 %. Насосное оборудование показало эксплуатационную надежность 50 % по отдельным насосам и ниже 30 % при совместной работе. Магистральный канал М-20 показал эксплуатационную надежность на трех рассматриваемых участках от 70 до 75 %, что ниже рекомендуемой [25].
Во время исследования были выявлены особенности формирования уровенного режима грунтовых вод на польдере. На рисунке 1 представлена схема польдера насосной станции, точками обозначены места, где производилось измерение уровня грунтовых вод и абсолютных отметок поверхности земли. Измерения производились ФГУП «Калининградский гидрогеолого-мелиоративный и научный центр» в начале полевых работ в середине апреля 2001 г. На рисунке 2 представлены в графическом виде результаты данных измерений.
Рисунок 2. Результаты измерений абсолютных отметок на польдере насосной станции № 20а
сельскохозяйственный мелиоративный массив
Произведена статистическая обработка результатов измерений, и построена зависимость между абсолютными отметками уровней грунтовых вод и абсолютными отметками поверхности земли (рисунок 3). Полученная зависимость может быть использована для планирования сельскохозяйственного использования земель [21, 26, 27].
Рисунок 3. Связь между абсолютными отметками залегания грунтовых вод (Hугв, м БС) и абсолютными отметками поверхности земли (Hотм, м БС) на польдере, обслуживаемом насосной станцией № 20а
Проведено обоснование эксплуатационных уровней откачки для данной насосной станции. Характерные точки польдера и их параметры, необходимые для расчета, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика точек 18, 8 и 14
Расчет проводился в соответствии с рекомендациями Ю. А. Юшкаускаса и др. [20], а результаты расчета представлены в таблице 2.
Расчет эксплуатационных уровней откачки для каждой характерной точки польдера показал, что точка 18 имеет наименьшие эксплуатационные уровни откачки, что позволит достичь нормы осушения на всем польдерном массиве при условии нормальной работы осушительной сети.
Таблица 2. Результаты расчета эксплуатационных уровней откачки воды для польдерной насосной станции № 20а в м от поверхности земли
Повышение энергоэффективности насосных станций на польдерах является важным вопросом на сегодняшний день. На большинстве польдерных насосных станций установлено насосно-силовое оборудование отечественного производства с избыточной мощностью и напором 4-8 м. На основе данных о результатах измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе насосной станции № 20а с 2000 по 2002 г., предоставленных ФГБУ «Управление «Калининградмелиоводхоз», был произведен расчет средневзвешенного напора воды, подбор и сравнение энергоэффективности насосного оборудования [28].
Для каждой недели в период с 2000 по 2002 г. был найден геодезический напор путем определения разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефе насосной станции № 20а. Далее полученные напоры были просуммированы и поделены на количество рассматриваемых недель. Таким образом, был найден средний геодезический напор, равный 1,33 м.
Потери напора воды в напорном трубопроводе насосной станции по длине и на местные сопротивления были рассчитаны при помощи формулы Дарси - Вейсбаха.
Имея все необходимые показатели, произвели расчет средневзвешенного напора воды, требующегося насосному оборудованию для перекачки воды, он равен 2,57 м (сумма среднего геодезического напора воды 1,33 м, потерь напора воды на местные сопротивления 0,63 м, потерь напора воды по длине трубопровода 0,11 м и запаса 0,5 м). При выборе насосного оборудования следует опираться на данный напор.
На замену установленному насосу ОВ6-55К, исходя из расчетов, были подобраны два варианта: насос широкого действия PL 7065/705 3~830 и более подходящий под рабочую точку PL 7065/705 3~1050. При сравнении энергоэффективности насос PL 7065/705 3~1050 показал результаты в два раза лучше установленного насоса ОВ6-55К, при этом не уступая в производительности. Замена насоса позволит экономить на электроэнергии до 500 тыс. руб./год.