Орошение поверхностными и подземными водами

Доступные для орошения объемы воды в водоемах и расходы воды в водотоках определяют оросительную способность источника - площадь, которую можно оросить его водами в год расчетной обеспеченности при проектных структуре посевов, оросительной сети, способе полива.

Для повышения оросительной способности источника возможно перераспределение расходов и объемов воды во времени путем создания водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования.

Режим уровней и напоров воды в источнике имеет значение при определении типа и конструкции водозаборного сооружения. Местоположение источника и его удаленность от орошаемой площади определяют длину магистрального канала и главного трубопровода -наиболее дорогих элементов сети.

Из рек - основных источников орошения - получают воду более 95 % орошаемых площадей. Распределение стока рек по времени в течение года и по годам неравномерно. Режим расходов рек определяется источником их питания и географическим положением. По типу питания реки разделяют: на равнинные (атмосферного, грунтового и смешанного питания); горные (ледникового и атмосферно-ледникового питания); степные, являющиеся разновидностью равнинных и отличающиеся от них меньшей водосборной площадью и резко выраженной неравномерностью стока.

Большинство равнинных рек имеют паводок (максимальные расходы) весной, а межень (минимальные расходы) - летом, что не соответствует режиму орошения сельскохозяйственных культур. Для более полного использования стока рек возможно их сезонное и многолетнее регулирование, т. е. создание водохранилищ, наполняемых весенним стоком. Однако при создании водохранилищ на равнинных реках затопляются большие площади ценных земель; подтопляются соседние земли; изменяется режим стока ниже по течению реки; нарушаются условия существования рыбы, водоплавающей птицы, прибрежных животных и растительности; появляется опасность для населения в случае аварий на плотине. Поэтому регулирование стока равнинных рек требует экологического и экономического обоснования.

Горные реки имеют максимальные расходы воды летом от таяния снегов и ледников, что согласуется с режимом потребления воды для орошения. Создание водохранилищ на горных реках для более полного использования их стока для орошения и энергетики в основном экономически целесообразно и экологически допустимо, но представляет опасность для населения горных долин.

Степные реки обычно имеют 80...95 % стока в весенний паводок, а летом сильно мелеют и даже пересыхают, что обусловливает дефицит воды. Поэтому в степной зоне сооружают многочислен­ные водохранилища и пруды, которые вызывают подтопление окружающих земель.

Морские воды сильноминерализованы, поэтому ими можно поливать отдельные выносливые культуры на хорошо проницаемых почвах и грунтах, периодически промываемых пресной водой. Опыт орошения морской водой имеют районы с дефицитом пресной воды.

Подземные воды для орошения в России используют мало (менее 2 % орошаемых площадей), в основном из-за высокой стоимости их получения. Для орошения забирают эксплуатационные запасы верхних горизонтов подземных вод. Орошение подземными водами целесообразно при постоянных или периодических дефицитах поверхностных вод и при избытке подземных вод, требующем осушения земель. Для накопления получаемой подземной воды при отсутствии поливов в ночные часы и межполивные периоды можно устраивать бассейны суточного и недельного регулирования, а для сезонного и многолетнего регулирования запасов подземных вод использовать синклинальные геологические образования - замкнутые прогибы водопроницаемых пластов, в которые фильтруется или закачивается вода в периоды отсутствия ее потребления.

При обосновании орошения подземной водой учитывают достоинства этого источника: получение воды вблизи поливного участка, сокращение длины оросительной сети, снижение потерь воды, отсутствие механических примесей в воде, частое совмещение целей орошения и осушения участка. Недостатки орошения подземными водами: высокая стоимость водоподъема, отсутствие в воде удобрительных илистых частиц, опасность истощения запасов подземных вод.

Местным стоком называют воды временных поверхностных водотоков, образующихся от весеннего снеготаяния и ливневых дождей, или малых рек, не имеющих самостоятельного хозяйственного значения без регулирования. Для местного стока характерны сильная изменчивость во времени и кратковременность больших расходов. Задержание поверхностного стока в периоды максимальных расходов снижает пик половодья в реках, выравнивает их режим, уменьшает опасность эрозии почв и роста оврагов. Создание водоемов улучшает ландшафт, имеет хозяйственное и оздоровительное значение. Оросительные системы, работающие на местном стоке, обычно бывают небольшие - несколько сотен гектаров.

Для регулярного орошения местный сток задерживают и накапливают в водохранилищах сезонного и многолетнего регулирования. Плотину и водохранилище целесообразно устроить в узком месте речной долины, в балках, оврагах, чтобы уменьшить длину плотины и площадь затопления. Фильтрационные потери из водохранилища будут меньше, если по его дну и под плотиной залегают слабопроницаемые грунты. Возможно также покрытие ложа водохранилища и верхового откоса плотины противофильтрационными материалами, под плотиной - устройство противофильтрационных стенок и завес, а в теле плотины - экрана или ядра. Для уменьшения затопленной площади и мелководий водохранилище может быть ограждено дамбами.

Расчетную обеспеченность стока при проектировании систем обосновывают технико-экономическим сравнением вариантов по стоимости системы, размерам орошаемой площади, получаемой продукции, экономической оценке затопленных земель, стоимости защиты подтопленных земель.

Гидрологические наблюдения и расчеты позволяют определить объем стока, собираемого в водохранилище в год расчетной обеспеченности, который составит полный объем водохранилища.

Полный объем ирригационного водохранилища сезонного регулирования состоит из мертвого, рабочего и регуляционного объемов.

Мертвый объем водохранилища зависит от высоты всасывания насосов при машинном водоподъеме, рыборазведения, санитарии и заиления. Последние два условия являются определяющими. По санитарным условиям глубина воды в водохранилище при мертвом объеме не должна быть менее 2 м.

Мертвый объем водохранилища определяют из условия его заиления за срок службы (30-50 лет): за период эксплуатации объем отложившихся наносов не должен превышать мертвый объем.

Рабочая вместимость водохранилища равна стоку заданной обеспеченности или части его, задержанному в водохранилище:

V_раб=S_р=К_рS_о; (3.3.11)

где S_p – расчетный сток;

S_о – средний весенний сток

Регуляционной вместимостью называют объем водохранилища между НПУ и ФПУ.

Полезная вместимость водохранилища равна разнице между рабочей вместимостью и объемом потерь. Ее устанавливают, исходя из потребности воды на орошение, водоснабжение, рыбоводство и прочие нужды.

Потребление воды зависит от характера использования водоема. При комплексном использовании его устанавливают в соответствии с нормами для водоснабжения населенных мест, нужд животноводства и потребности рыбного хозяйства.

Водопотребление на орошение определяют с учетом режима орошения сель­скохозяйственных культур.

Потери воды на испарение относят к площади зеркала водо­хранилища.

К непроизводительным относят потери воды на фильтрацию через тело плотины и ложе водоема, которые зависят от геологического строения подстилающих пород, их гранулометрического состава и фильтра­ционных свойств.

Для уменьшения фильтрации применяют следующие приемы:

- уплотнение грунта - уменьшает потери в 15-30 раз, грунт укатывают послойно или уплотняют ударами на глубину 0,5-1 м;

- солонцевание – внесение в поверхностный слой грунта ложа водохранилища поваренной соли, сверху укладывается слой песка, фильтрация уменьшается в 1,5-2 раз;

- кольматаж (в поток вводятся глинистые или илистые частицы) - в 10 раз;

- 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 водоема 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.

Потери на льдообразование (V_лед, м³) определяют в зависи­мости от площади водоема в начале ледостава и толщины льда по формуле

V_лед = 0,9(F₁-F₂)h_л; (3.3.12)

где 0,9 - удельная масса льда;

F₁ -площадь зеркала водоема в начале ледостава, м²; F₂ — площадь зеркала водоема в конце ледостава, м²; h_л — максимальная толщина ледяного покрова для данного района, м.

Таким образом, общие потери V_потерь, м³ составляют:

V_потерь = V_ис + V_ф + V_лед, (3.3.13)

где V_ис - потери на испарение;

V_ф - потери воды на фильтрацию; V_лед —потери на льдообразование.

Объем воды на орошение площади (V_ov, м³) определяют по формуле

V_ор=; (3.3.14)

где М_ср.взв - средневзвешенная оросительная норма (м³/га), определяемая по формуле

; (3.3.15)

где M₁, М₂.....М_n - оросительные нормы отдельных сельскохозяйственных культур, вычисленные для года 75%-ной обеспечен­ности по влажности;

α₁, α₂, α_n„ - процент площади, занимаемой данной сельскохозяйственной культурой в се­вообороте на орошаемом участке;

- орошаемая площадь, га;

η - КПД оросительной системы.

Объем воды, потребный для водоснабжения и обводнения,

(V_bод, м³) равен:

; (3.3.16)

где п - количество водопотребителей;

Q - норма водопотребления, м³/сут;

Т - продолжительность периода потребления воды из водоема, сут.

Пример системы орошения на местном стоке показан на рис.3.3.18. Она включает два орошаемых участка: с открытой оросительной сетью при поверхностном поливе и с трубчатой сетью при дождевании.