Методы исследования - Приемы повышения экологической безопасности специализированных мелиоративных систем

Решение задач, намеченных программой исследований, осуществлялось путем постановки производственных опытов на типичных для Республики Беларусь дерново-подзолистых почвах. Опыты были проведены в течение 1999-2005 гг. на специализированной мелиоративной системе РСУП "СГЦ Заднепровский" Оршанского района.

При проведении исследований учитывалось современное состояние проблемы рационального использования земельных и водных ресурсов с учетом требований охраны окружающей природной среды. Методологической основой исследований явились рекомендации, изложенные в работах [10, 11, 12 и др.].

Основная часть

Анализ литературных источников показал, что повышение экологической безопасности специализированных мелиоративных систем с использованием стоков свиноводческих комплексов для орошения может осуществляться различными приемами. В практике наиболее часто идут по пути создания специальных сооружений по очистке загрязненных вод либо путем применения специальных приемов подготовки поверхности полей к орошению.

Эффективность очистки возвратного стока с помощью специальных сооружений может быть существенно повышена применением специальных отстойников. Конструкция одного из них, разработанная нами, приведена на рис. 1.

План

Продольный разрез

А - А

гравитационно-биологический отстойник для очистки загрязненных вод

Рис. 1. Гравитационно-биологический отстойник для очистки загрязненных вод: 1- входной канал; 2- выходной канал; 3 и 4 - секции отстойника;

5- высшая водная растительность; 6- струенаправляющая грань.

Отстойник работает следующим образом [13].

Загрязненная вода через входной канал 1 подается в первую секцию 3 отстойника. Вследствие резкого увеличения площади живого сечения потока скорость движения воды уменьшается и взвешенные вещества выпадают на дно первой секции 3.

В связи с тем, что первая секция 2 отстойника выполнена глубиной большей, чем вторая секция 3, а также с тем, что первая секция 3 в плане выполнена в виде окружностей, сопряжение секций отстойника 3 и 4 образует струенаправляющую грань 6. Ось входного канала пересекает окружности, образующие первую секцию 3 отстойника, по хорде длиной меньше их диаметра, поэтому во время движения воды по первой секции 1 поток воды отклоняется в стороны струенаправляющей гранью 6. Возникает медленное круговое движение воды. Путь ее прохождения по первой секции 3 отстойника значительно увеличивается, что способствует более полному выпадению взвешенных частиц в осадок.

По мере заполнения первой секции 3 отстойника верхний (наиболее очищенный) слой воды переливается через струенаправляющую грань 6 и поступает во вторую секцию 4 с высшей водной растительностью 5, где происходит биологическая очистка воды от растворенных в ней химических соединений.

При пропуске промывных расходов (например, наименее загрязненных химическими соединениями паводковых вод при использовании отстойника в качестве конструктивного элемента гидромелиоративных систем) повышенные скорости потока с круговым движением способствуют промывке первой секции 3 отстойника. При ее недостаточности можно периодически подчищать эту секцию экскаваторами, причем высшая водная растительность 5 не повреждается, так как она культивируется только во второй секции 4 отстойника.

Вторая секция 4 отстойника в плане выполнена сужающейся к выходному каналу 2, что приводит к постепенному увеличению скорости потока и препятствует заилению этой секции 4.

Вторая секция 4 отстойника в вертикальной плоскости выполнена глубже, чем выходной канал 2. Поэтому в ней будет поддерживаться необходимый для нормальной жизнедеятельности высшей водной растительности 5 уровень воды даже при кратковременном прекращении ее подачи в отстойник (по технологическим причинам или природным факторам).

Площадь F, занимаемая высшей водной растительностью, определяется из соотношения

(1)

Где W - объем очищаемой воды, м3; Сi - концентрация i-го загрязняющего элемента в очищаемой воде, г/м3; ПДКi - предельно допустимая концентрация i-го элемента, г/м3; Vi - очистительная способность макрофитов по снятию i-го загрязнителя в очищаемой воде, г/м2.

Расчеты проводятся для всех загрязнителей, концентрация которых превышает ПДК. За расчетную площадь принимается наибольшее значение.

Радиус окружности первой секции двухсекционного отстойника по дну рассчитывается по зависимости:

R= (2)

Где Q - расход очищаемой жидкости, проходящей по каналу, м3/с; V - средняя скорость движения воды по первой секции, м2/с; m - коэффициент заложения откосов первой секции; h - глубина потока воды в первой секции при пропуске расчетного расхода, м.

Среднюю скорость потока можно определить по формуле:

V = AQ0,2, (3)

Где А - эмпирический коэффициент; А = 0,033 - для < 1,5; А = 0,044 - для = 1,5-3,5; А = 0,055 - для >3,5; - средневзвешенная гидравлическая крупность наносов, мм/с; Q - расчетный расход, м3/с.

Ориентировочно среднюю скорость потока в зависимости от средневзвешенной гидравлической крупности наносов можно принять в пределах 0,02 - 0,05 м/с.

Расстояние между центрами окружностей первой секции равно:

В = (0,7...0,8) 2r, (4)

Глубина второй секции отстойника принимается на 0,2-0,4 м больше глубины канала, а первой - на 0,7...1,0 м более глубины второй.

В табл. 1 представлены осредненные результаты трехлетних исследований эффективности разработанной конструкции гравитационно-биологического отстойника, проведенные на мелиоративной системе свинокомплекса "Искра" Рязанской области РФ.

Таблица 1. Степень очистки загрязненных вод полевой моделью отстойника [8]

Показатели

Концентрация ингредиентов в воде отстойника

% очистки

На входе

На выходе

К+

142,6

11,5

91,9

Nа+

12,2

3,6

70,0

NН4+

63,3

3,9

93,8

Са2+

34,6

25,2

27,2

Mg2+

16,0

8,3

48,2

NО3-

9,4

0,7

92,6

Cl-

95,2

7,7

91,9

НСО3-

335,3

120,8

64,0

РО43-

5,1

0,6

88,2

Предлагаемый отстойник значительно улучшает экологическую обстановку и может быть использован как в качестве самостоятельного очистного сооружения, так и в качестве конструктивного элемента комплекса сооружений по очистке загрязненных в процессе производства вод.

В Республике Беларусь основным способом полива при использовании сточных вод является дождевание. При этом важное значение имеет не только регулирование водного режима почвы в соответствии с требованиями растений, но и равномерность распределения воды по орошаемой площади с интенсивностью дождя, при которой на поверхности не образуется поверхностный сток.

Условием качественного дождевания является соответствие его интенсивности впитывающей способности почвы. Результаты исследований свидетельствуют, что при поливе сточными водами впитывающая способность почвы значительно снижается. Это связано с физико-механическими свойствами поливной жидкости, содержащей значительное количество взвешенных веществ, которые оказывают кольматирующее действие на почву. В связи с большим многообразием факторов, влияющих на интенсивность дождевания, попытка установить теоретическую зависимость допустимой интенсивности от определяющих ее величину факторов не представляется возможной. Поэтому достаточно обоснованные параметры рекомендуется устанавливать экспериментальным путем. Такие опыты были проведены нами в различных вариантах агромелиоративных мероприятий и бессточного дренажа.

Величина поверхностного стока зависит от объема поливной нормы, интенсивности дождевания, предполивной влажности и высоты растений. Этот сток является важным экологическим показателем техники полива дождеванием и оказывает отрицательное влияние на плодородие почвы, способствует ухудшению гидрофизических параметров поверхностного слоя. При проведении опытных поливов животноводческими стоками нормой 20-25 мм во влажные периоды на поверхности поля отмечалось образование луж, что указывает на наличие поверхностного стока в пределах отдельных участков орошаемого поля. В табл. 2 приведены результаты наших наблюдений за формированием стока в вариантах опыта.

Таблица 2. Площадь микропонижений, заполненных поверхностным стоком, м2/га.

Варианты опыта

Годы наблюдений

1999

2000

2001

Без мелиоративных мероприятий и орошения

-

16,1

10,5

Без мелиоративных мероприятий (контроль)

33,0

35,8

31,7

Бессточный дренаж

28,4

30,3

26,2

Бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением

22,1

26,4

23,2

Бессточный дренаж в сочетании с рыхлением

20,8

22,1

21,7

Бессточный дренаж в сочетании с внесением соломы

18,9

20,8

19,3

Бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением и внесением соломы

18,6

19,9

18,2

Бессточный дренаж в сочетании с рыхлением и внесением соломы

18,7

19,6

18,0

Как следует из приведенных данных, общая площадь затопленных понижений колебалась от 10,5 до 33,0 м2 на 1 га. Более существенное влияние на величину площадей затопленных микропонижений оказывает состояние поверхности поля. При первом поливе в начале вегетации суммарная площадь затопленных микропонижений была меньше, чем при последующих поливах. При первом поливе нормой 25 мм суммарная площадь затопленных микропонижений составляла 20,0-25,0 м2 на гектар, а после последнего полива - в пределах 26,0-31,0. Особенно существенно эти различия проявлялись на участках средней части крыла дождевальной установки.

В условиях покрытия поверхности поля густой растительностью трав влияние рельефа ослабляется за счет растений. Особенно велико значение трав второго и третьего годов пользования.

Наряду с уменьшением объема поверхностного стока в ходе полевых исследований было установлено изменение и допустимой интенсивности дождевания. Результаты проведенных полевых исследований допустимой интенсивности прерывистого дождевания приведены в табл. 3.

Таблица 3. Допустимая интенсивность прерывистого дождевания стоками в вариантах опыта

Варианты опыта

Содержание в стоках сухого вещества, %

Продолжительность дождевания до стока, мин

Допустимая интенсивность дождевания, мм/мин.

Без мелиоративных мероприятий (контроль)

До 2,0

10-70

0,36-0,07

Бессточный дренаж

15-80

0,38-0,06

Бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением

15-95

0,40-0,08

Бессточный дренаж в сочетании с рыхлением

18-110

0,56-0,10

Бессточный дренаж в сочетании с внесением соломы

18-105

0,43-0,09

Бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением

И внесением соломы

18-105

0,44-0,09

Бессточный дренаж в сочетании с рыхлением

И внесением соломы

18-140

0,62-0,12

Анализ полученных данных показывает, что допустимая интенсивность дождевания зависит от продолжительности полива и значительно изменяется по вариантам. Наибольшее значение интенсивности отмечено в вариантах 5 и 8, соответственно 0,56 и 0,62 мм/мин. при продолжительности воздействия дождя на почву18 мин. При снижении интенсивности до 0,10-0,12 мм/мин. продолжительность дождевания до появления стока в этих вариантах составляет 110 и 140 мин. соответственно. Исследованные в опыте агромелиоративные мероприятия в основном могут быть выполнены существующими механизмами для обработки почвы.

Однако ежегодно проводить эти агромелиоративные приемы нецелесообразно и экономически невыгодно из-за высокой энергоемкости. С целью устранения этого недостатка возникает необходимость разработки специальных устройств, которые продлили бы долговечность энергонасыщенных агромелиоративных приемов. Такое устройство было разработано нами в соавторстве [14] и его принципиальная схема представлена на рис. 2.

принципиальная схема устройства для обработки поверхности поля

Рис. 2. Принципиальная схема устройства для обработки поверхности поля:

    1 - рабочий орган щелереза; 2 - кронштейн; 3 - прикатывающий каток; 4 - ось катка; 5 - штифтовальный диск; 6 - штифт; 7 - шарнир; 8 - ограничитель; 9 - оси вращения прикатывающего катка; 10 - ось вращения штифтовальных дисков; 11 - щель в почве; 12 - почвенный валик; 13 - вертикальные отверстия в почве; 14 - поверхность поля.

Разработанное устройство состоит из кротователя-щелереза, который дополнительно оборудуется штифтователем в виде прикатывающего катка, на изогнутой оси которого установлены диски с шарнирно закрепленными на них штифтами и жестко закрепленными ограничителями угла поворота штифтов. Оси вращения штифтовальных дисков расположены в вертикальной плоскости, которая проходит через ось вращения прикатывающего катка так, что плоскости, в которых вращаются штифтовальные диски, расположены симметрично плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа кротователя или щелереза и под острым углом к ней.

Разработанное устройство может применяться не только на орошаемых сельскохозяйственных землях, но и в условиях обычного земледелия для повышения эффективности использования естественных атмосферных осадков.

Техническая задача, на решение которой была направлена разработанная конструкция, заключается в повышении равномерности увлажнения поля и упрощении технологии производства работ, повышении урожайности и качества орошаемых сельскохозяйственных культур, предотвращении водной эрозии почвы и загрязнения окружающей среды.

При использовании предлагаемой конструкции нарезка кротовин или щелей осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению господствующего ветра, с сообщением их полостей с дневной поверхностью поля каналами. Каналы выполняются наклонными, с выходом на поверхность поля за пределами почвенного валика, образующегося при прорезании корневой системы растений рабочим органом кротователя или щелереза.

Разработанное устройство работает следующим образом. При движении по полю рабочим органом 1 щелереза прорезаются щели 11, при этом образуется почвенный валик 12. Одновременно с этим штифты прокалывают почву и соединяют полость щелей 11 вертикальными отверстиями 13 с дневной поверхностью поля, причем из-за острого угла наклона плоскостей вращения штифтовальных дисков 5, а следовательно, и штифтов 6 к плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа щелереза, выходы 14 каналов 13 и дневную поверхность поля осуществляют за пределами почвенного валика 12.

Закрепление штифтов 6 на дисках 5 посредством шарниров позволяет прокалывать каналы 13 без изгибающих нагрузок на штифты 6, что также способствует и минимальному повреждению растений вследствие прокола их только в осевом направлении штифтов 6.

При вращении дисков 5 ограничители угла поворота 8 штифтов 6 переводят штифты 6 в рабочее состояние и обеспечивают оптимальный угол вхождения их в почву.

Прикатывающий каток 3 частично сминает и выравнивает почвенный валик, перекрывает верх щели 11 и формирует ее свод. Кроме того, прикатывающий каток 3 уплотняет почву вокруг штифтов 6 в момент прокалывания ими каналов 13, чем повышает устойчивость этих каналов 13.

Оси вращения 10 дисков 5 расположены в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения 9 прикатывающего катка 3 так, что плоскости, в которых вращаются штифтовальные диски 5, расположены симметрично плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа щелереза, то есть оси вращения 10 и 9 штифтовальных дисков 5 и прикатывающего катка 3 расположены в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа 1 щелереза. Это обеспечивает максимальное давление на почву (и уплотнение ее вокруг штифтов 6) от прикатывающего катка 3 в момент времени, соответствующий максимальному погружению штифтов 6 в почву, чем предотвращается разрушение каналов 13.

Штифтовальные диски 5 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа 1 щелереза, что обеспечивает работу агрегата без поперечных нагрузок.

Рекомендуется следующая технология производства работ с предлагаемым устройством.

На поле, поперек господствующего направления ветра, предлагаемым устройством нарезаются щели 11. Штифты 6 устройства соединяют их полости с дневной поверхностью поля за пределами почвенного валика 12, образующегося при прорезании корневой системы растений рабочим органом 1 кротователя или щелереза. Щели 11 прорезают с минимальной глубиной, обеспечивающей их устойчивость (30-60 см).

Наиболее эффективно способ осуществляется тогда, когда щели 11 нарезают с уклоном из зоны избыточного полива к зоне недостаточного полива. Кроме выполнения щелей с переменной глубиной для этой цели можно использовать рельеф поля, при этом необходимо стремиться к выполнению щелей 13 под углом к горизонталям. Этот угол должен быть минимальным, так как данный способ является также эффективным мероприятием для перехвата поверхностного и внутрипочвенного стока, возникающего вследствие выпадения осадков и весеннего снеготаяния.

При выпадении осадков, превышающих впитывающую способность, образуется поверхностный сток, который перехватывается выходами 14 каналов 13 и по ним поступает в щели 11.

Протекая по щелям 11, избыток поливной жидкости перераспределяется по площади поля и впитывается в почву.

Равномерность увлажнения почвы и распределения биогенных элементов по площади 1 поля способствует увеличению урожайности и повышению качества сельскохозяйственных культур. Особенно эффективен данный способ обработки по трассам бессточных дрен. Это связано с тем, что со временем засыпка траншеи бессточной дрены уплотняется и ее водоприемная способность снижается, что в конечном счете затрудняет нормальную работу всей системы.

Похожие статьи




Методы исследования - Приемы повышения экологической безопасности специализированных мелиоративных систем

Предыдущая | Следующая