СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОЧИСТКОЙ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ДРЕНАЖНЫХ ВОД Российский патент 2023 года по МПК C02F3/32 E02B13/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано, например, при строительстве дренажных систем на мелиорируемых землях, где проводят отвод высокоминерализованных дренажных и сбросных вод удобрительными поливами и осушение земель, а также для контроля грунтовых вод при поливе и охраны окружающей среды.

Известно, что способность высших водных растений удаляет из воды загрязняющие вещества - биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты - и уменьшает ее загрязненность поверхностно-активными веществами, что контролируется такими как показателями органического загрязнения среды.

Если рассматривать при оценке способность тех видов высших водных растений (камыш, тростник и рогоз) удалять из загрязненных вод азот и снижать БПК, то при средней концентрации аммония в сточных водах 24,7 мг/л, после очистки с использование ВВР его концентрация составит (мг/л): для камыша - 1,4; тростника - 5,3; рогоза - 17,7. Эффективность снижения БПК наиболее высокая - камыша; ниже - у тростника и рогоза. При этом зависит от рН воды, а также от видовых особенностей растений, густоты биомассы и ряда других факторов, а именно - температуры и кислородного режима.

Специфическими загрязняющими веществами дренажных и сбросных вод являются ионы, характеризующие общую жесткость и солесодержание. Средний расход дренажных вод, направляемый на очистку, составляет 0,8-1,2 м³/с (Самойлов B.C. Дренаж и очитка дренажных вод. М.: Аделанд, 2009. - 28 с). Таким образом, для проектирования данных систем необходимо проводить предварительную оценку качества дренажных вод перед сбросом в водные объекты.

В зоне избыточного увлажнения осушительные мелиорации играют исключительно важное и, нередко, определяющее значение для рационального ведения сельскохозяйственного производства. В формировании водного режима на осушенных землях кроме природных условий, обусловленных почвенным покровом, рельефом местности, видом почвообразующих пород, типом водного питания и т.д., существенная роль также принадлежит конструкции дрен и виду применяемых фильтров. Одним из конструктивных элементов дренажных систем является защитно-фильтрующий материал, предотвращающий заиление дренажных труб частицами грунта.

Другим основным показателем эколого-мелиоративного состояния почв является критическая глубина уровня грунтовых вод (УГВ). Ее природная сущность может быть использована для обоснования и оценки природно-мелиоративных особенностей мелиорируемой толщи почво-грунтов, так как с УГВ связаны эффекты возникновения негативных процессов и экологической ситуации в результате природопользования. Проблемой «критических» значений УГВ занимались многие исследователи. Впервые применил термин и обосновал понятие «критическая глубина залегания УГВ» Б.Б. Полынов (1956). Он вывел, что «критическая глубина» зависит от многих показателей: климатических условий, минерализации вод, состава отложений, особенности рельефа, характера проявления экзодинамических процессов. При этом известен способ определения критической глубины залегания грунтовых вод (Патент RU №2115924 от 20.07.1998). Также необходимо учитывать поднятие воды по капиллярам: для песков и супеси - 1,0-1,2 м; легких и средних суглинков - 2,5-3,0 м; тяжелых суглинков и глины - 3,4-4,0 м и более. Отсюда имеем, критический уровень УГВ как критерий эколого-мелиоративного состояния почв необходим для: оценки экологического и мелиоративного состояния почв; определения закладки искусственного дренажа на осушительных и оросительных системах; проведение эколого-мелиоративного мониторинга почвенного покрова; диагностики, классификации почв; водно-солевого прогноза почв; определение мелиоративных мероприятий.

Следует отметить также, что создание оптимального водного режима на тяжелых минеральных почвах тесно связано с отводом избыточных вод дренажом из корнеобитаемого слоя. Одной из основных характеристик, определяющих эффективность работы закрытого дренажа, принят дренажных сток, т.е. модуль дренажного стока при определенной продолжительности работы дренажа за предпосевной и вегетационный периоды. Важным также является показатель водного режима уровень почвенно-грунтовых вод. Отсюда обработка, например, тяжелых суглинистых почв возможна при понижении уровня почвенно-грунтовых вод на 45-50 см от поверхности земли, посев -при глубине 50-70 см. В вегетационный период грунтовые воды должны находиться на глубине не выше 80-100 см для многолетних трав и 100-130 см для зерновых культур. Таким образом, снижение продолжительности стояния почвенно-грунтовых вод в активном слое почвы, особенно при продолжительности эксплуатации дренажа и влияния осушения на состояние переувлажненных минеральных почв играет важную роль, и зависит от использования удобрений.

Уровень техники

Из уровня техники известны способы для биологической очистки воды в каналах, решающие проблему загрязнения водоемов только частично (SU №701947, С02В 1/00, Е03В 3,32, С02С 5/10 от 05.12.1979; SU №1074836, C02F 3/32 от 23.02.1984; SU №1224275, C02F 3/32 от 15.04.1986; SU №806613, С02С 1/02 от 23.02.1981).

Однако такие способы являются недостаточно эффективными, и решают проблему загрязнения лишь частично и, накопление загрязняющих веществ в каналах и водоемах продолжается.

Известна оросительная система, включающая магистральный канал, закрытые распределители и напорные оросители, выполненные с обратным уклоном к питающему их распределителю и горизонтальными бровками. Уровень воды в оросителях регулируется водовыпусками автоматического действия (SU №1217309, A01G 25/00, Е02В 13/00 от 15.03.1986).

Недостатками данной системы является последовательная схема наполнения системы оросителей, начиная с пониженного участка, что лишает систему универсальности водораспределения при необходимости заполнения оросителей водой, не предусмотренной в описании последовательности, при этом не исключают последующего загрязнения воды при ее движении, что снижает эффективность и сохранения качества транспортирующей воды.

Известна оросительная система с использованием прудов-накопителей, содержащая расположенные по уклону местности распределительные каналы, которые на своем протяжении впадают в искусственно созданные пруды-накопители. Вода подается в поливные каналы дл орошения дождевальными машинами. Неиспользованная при поливе вода сбрасывается в сбросные каналы, которые расположены по уклону местности и осуществляют транспортировку воды к следующей паре поливных каналов, имеющих уклон к распределительному каналу, который впадает в следующий пруд-накопитель. Все поливные каналы имеют в концевой части подпорно-регулирующие сооружения, а на выходе из прудов-накопителей оборудованы регуляторами уровня по нижнему бьефу (SU №2353088, A01G 25/00 от 27.04.2009).

Недостатками данной системы является самотечная схема заполнения распределительных и поливных каналов только по уклону сверху вниз, что исключает возможность подачи оросительной воды в вышерасположенные участки системы; оросительная система не позволяет аккумулировать воды местного стока с вышерасположенной водосборной площади и использовать их на орошение, при этом не исключает последующего загрязнения воды при ее движении, что снижает эффективность очистки и сохранения качества транспортируемой воды.

Известна мелиоративная водооборотная система, включающая оросительную сеть с напорным водоводом и насосную станцию. Оросительная сеть ограждена сбросным водоводом и расположена по рельефу местности выше осушительной сети. Магистральный канал осушительной сети соединен со сбросным водоводом и прудом-накопителем. Пруд-накопитель в водохранилище снабжены водорегулирующими устройствами, а водохранилище соединено с рекой обводным каналом в обход пруда-накопителя. В процессе эксплуатации стоки поступают в пруд-накопитель, разбавляются водой из водохранилища и вновь подаются на орошение, замыкая водооборот в смесителе (SU №1425271, Е02В 11/02 от 23.09.1988).

Недостатком данной системы является невозможность использования вод местного стока на орошение без их предварительного стока по сбросному водоводу в пруд-накопитель и дальнейшей подачи на орошаемый участок, что требует дополнительных энергетических затрат и времени, при этом не исключает последующего загрязнения воды при ее движении, что снижает эффективность очистки и сохранения качества транспортируемой воды.

Известна система очистки воды рек, содержащая в русле реки заросли высшей водной растительности и снабженная выполненными в прибрежной пойме русла реки искусственным руслом в виде отдельных участков, сообщенных с руслом реки и снабженных зарослями высшей водной растительности (SU №1528746, C02F 3/32 от 15.12.1989).

Известную систему можно применять для дополнительной очистки вод водоприемника специализированной оросительной системы с использованием сточных вод. Но более рационально загрязненный сток и сточные воды очищать непосредственно во время транспортировки их по проводящим и собирающим мелиоративным каналам.

При этом применение известной системы экономически и технологически нецелесообразно, т.к. при этом необходимо выполнять ряд участков с параллельными каналами, что связано со значительным увеличением объемов работ и трудностями в эксплуатации такой системы.

Известен способ биологической очистки воды в водоемах или участках водотоков, с переменным уровнем воды, включающий транспортирование очищаемой воды через заросли высшей водной растительности, причем, поэтому способу производят изменения расходов воды в зарослях высших растений от минимального, до максимального, равного предельной глубине произрастания образующих заросли видов растений, и обратно от максимального уровня воды до минимального (SU №1411295, C02F 3/32 от 23.07.1988).

Реализация этого способа возможна и при использовании в качестве водотока обычного мелиоративного канала с трапециодальным поперечным сечением, снабженного высшей водной растительностью.

Недостатком этого способа является то, что его можно применять только при возможности оперативного регулирования расхода в заданных пределах, причем снижение их ниже заданного минимума или повышение выше заданного максимума не допускается. Это вызвано тем, что нормальное развитие высшей водной растительности обеспечивается при некоторых оптимальных (различных в зависимости от вида растений) глубины воды. Хотя большинство видов высшей водной растительности выдерживают довольно длительное затопление даже в вегетационный период, оно действует на них угнетающее, а у некоторых видов растений, например у рогоза узколистого, затопление в определенные фазы его развития приводит к ухудшению развития семян, что ухудшает процесс размножения этих растений.

В мелиоративном канале обычно очень трудно обеспечить точное регулирование расходов и уровней воды, т.к. кроме специального назначения (например, транспортировки сточных вод), он обычно транспортирует поверхностный и дренажный сток с прилегающего водосбора, в том числе и загрязненный возвратный сток. При этом можно выделить следующие периоды с характерными уровнями и расходами воды (Маслов Б.С. и др. Справочник по мелиорации. М. Росагропроиздат, 1989, с. 56): весенний паводок; предпосевной; летне-осенний дождевой паводок; бытовой (меженный) период.

Эти периоды характеризуются также различными скоростями движения воды в канале, причем высокие скорости движения воды приводят не, только к ухудшению условий очистки, но могут привести к повреждению растений.

В подавляющем большинстве случаев наиболее загрязненным является сток бытового периода т.к. в этот период наблюдается минимальные расходы воды, а, следовательно, и наибольшая концентрация в ней вредных веществ. В период паводков вследствие разбавления стока чистой водой (за счет снеготаяния, выпадения осадков и т.д.), обычно не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК).

Если канал предназначен и для транзитной транспортировки сточных вод, то в период паводка попуски их можно искусственно ограничить с целью достаточного разбавления чистой водой (до ПДК).

Следует отметить, что расходы бытового периода значительно меньше паводковых расходов, поэтому простое уширение канала по дну с целью снижения скоростей движения воды в нем может привести к тому, что уровни воды в нем в бытовой период будут меньшими оптимальных. Кроме того, если в этот период отсутствуют попуски в канал сточных вод и отсутствует (или резко снижен) поверхностный и дренажный сток вследствие засушливого периода, то в обычном канале возможно снижение уровня воды вплоть до нуля, а, следовательно, сильное угнетение ВВР или даже ее гибель.

Таким образом, мелиоративный канал для транспортировки сточных вод и загрязненного возвратного стока с одновременной их очисткой и доочисткой должен обеспечивать пропуск паводковых вод без повреждения и существенного угнетения ВВР, а также обеспечивать максимальную эффективность очистки вод при пропуске расходов бытового периода. Известная конструкция не удовлетворяет одновременному выполнению этих требований.

Кроме того, применение известной конструкции для вышесказанных целей приведет к значительным эксплуатационным расходам, т.к. канал заилиться взвешенными веществами, поступающими с прилегающего водосбора вследствие малых скоростей движения воды в нем, необходимых для эффективной очистки. Удаление же наносов сопряжено с повреждением ВВР.

Наиболее близким аналогом данного объекта является способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, при этом загрязненный поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем попуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации (Патент RU №2092455, C02F 3/32 от 10.10.1997).

Однако такая система предназначена использовать загрязненный поверхностный и дренажный сток, подвергая его многоступенчатой открытой предварительной очистке в процессе поступления в канал с густотой посадки и развития как травяного покрова, так и кустарниковых насаждений, что экономически и технологически нецелесообразно, таким сложным в плане конфигурацией канала, а также большие затраты его строительства, при этом не учитываются химические опасные компоненты, присутствующие в дренажных подземных водах, в частности при орошении полей дождеванием с жидкими удобрениями, почва насыщена органическими и минеральными удобрениями, где процесс фильтрации через почву они поступают растворимыми химическими элементами в подземные воды, находящиеся на небольшой глубине 0,5-1,0 м, таких как СН₄, NH₃, H₂S, СО₃. Зона активности загрязнения орошаемых полей может быть неоднородной и состоять из различных составных частей, поэтому такая система трудновыполнимая в естественных условиях, в частности при близком залегании грунтовых вод и при строительстве дренажной системы, собирающих загрязняющих веществ в сторону открытого коллектора культивируемыми растениями, и не исключает последующего загрязнения воды при ее движении с взвешенными частицами, что снижает эффективность очистки и сохранения качества транспортируемой воды. Кроме того, сбросные коллекторы в пределах границ орошаемых полей дождевальными машинами и осушаемых, затем полей с внесением в почву удобрений, в таких сложных условиях выполнить трассу поперечного сечения коллектора достаточно трудно и нецелесообразно экономически, т.е. отчуждение больших участков полезной земли, соответственно, система ограничена применением.

Пути и способы открытых сбросных коллекторов должны определяться прямолинейной в плане схемы, т.е. конфигурацией поля по уклону рельефа, местоположения его и учитывать применение обрабатывающей техники почвы; уровнего режима сбросных коллекторов (малых или больших параметров) при осушении и водоприемника, т.е. отсутствует также и сам каскад задерживающих автоматических устройств, чтобы эффективно накапливать дренажную воду в верхних бьефах коллекторов, при этом иметь возможность, кроме обеспечения возможности оперативного регулирования расходов с поперечным сечением параметров самих коллекторов и нормальное развитие высшей водной растительности, также обеспечивать осаждения химических веществ на дно коллектора (канала) перед каскадом каждого перегораживающего автоматических устройств, затем их производит очистку, например, механически в ручном режиме складирования рядом на участке поля, и разравнивать на следующем этапе, на которых возделывают растения, а очищенная вода поступает далее по длине коллектора в водоток для повторного использования потребителем. Строительство каскада таких сооружений в практике обеспечит соответствующие аккумулирующие емкости воды с отстоем и выпадением химических веществ (элементов) в створе непосредственно сооружения (ниже отметки порога сооружения) при максимально подпертым горизонтом уровня сбрасываемой воды, исходя из условий работы дренажной системы, создаваемой при поливе и осушения, до и после окончания. Кроме того, необходимо соблюдение экологической ситуации вокруг всей системы осушения в целом, при этом сбросная вода из водоносных горизонтов с загрязнениями не должна поступать в источник потребителя.

Техническим решением задачи является повышение эффективности отвода избыточных дренажных и поверхностных вод в отводящие открытые коллектора сельскохозяйственных полей, а также улучшения условий эксплуатации при реализации данного способа, вытекающей воды из закрытых дрен и донных отложений перед подпорными сооружениями с последующей их очисткой механически, учитывая химический состав грунтовых и дренажных вод согласно нормативным документам.

Технический результат достигается тем, что способ управления очисткой загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их по мелиоративному каналу с переменным расходом и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, загрязненные поверхностные и дренажные воды подвергают многоступенчатой предварительной очистке кустарниковой и травяной растительностью, при этом пропуск вод определяют путем содержания вредных веществ, не превышающих предельно допустимой концентрации, согласно изобретения, мелиоративный канал выполняют в виде открытого прямого в плане сбросного отстойного коллектора, непосредственно примыкающего к уклону рельефа к дренажным осушительным системам для отбора воды из них, и разбивают на отдельные прямолинейные в плане короткие аккумулирующие участки, расположенные один ниже другого и последовательно соединенные между перегораживающими подпорными водопереливными сооружениями в виде короба, установленного с возможностью регулирования по наклонным к горизонту направляющим, с возможностью забора воды за пределы сбросного коллектора с автоматическим сбросом воды уровня верхнего бьефа, при этом образующиеся аккумулирующие емкости в верхнем бьефе используют для механической поэтапной очистки осевших компонентов веществ с анализом результатом перед сооружением.

Кроме того, водопереливное подпорное сооружение в виде короба выполняют с возможностью вертикального регулирования, а в верхней части выполняют водопропускное отверстие, снабженное с внутренней стороны короба подпружиненным клапаном с внутренней стороны короба с размещенным над ним водосливным козырьком, и в нижней части другой водосливной торцевой стенки короба, установленной в наклонных направляющих, выполняют водовыпускное отверстие, при этом высота стенки короба подпора равна 1,5-2,0 оптимальной глубины произрастания высшей водной растительности.

Кроме того, механическое удаление загрязненных донных отложений осуществляется с помощью подручных орудий в виде лопаты и ведер непосредственно со складированием рядом на участок поля и их разравнивания, или с помощью механической драги.

Кроме того, анализ результатов очистки донных отложений веществ проводится путем оценки состояния, а также воды уровня угнетения водорослевого сообщества на основании агрохимической лаборатории весь объем аналитических работ по определению значений биохимических показателей химического состава перед сооружением, в том числе определяют подвижный калий, фосфор и азот нитратов, сравнивают с допустимым периодом полива и осушения, по результатам сравнения судят об экологической безопасности вредных загрязняющих веществ в точках отбора по направлению преобладающего для перелива через короб горизонтов уровня воды на местности данного сбросного коллектора.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие существенные отличия от прототипа.

Использование дренажных вод с удобрительными поливами с помощью дождевальных машин в системе орошения и далее ее осушения с близким залеганием грунтовых вод подвергают многоступенчатой очистке: в вегетационный период при правильном технологическом поливе с удобренной почвой, например, органическими удобрениями или компостом проходит доочистка их через толщу почвы, затем они дренируют в заложенный в грунт дрены, и дренажные воды собирают в открытый коллектор, он всегда расположен ниже дренируемых сетей, устья их не подтоплены.

Мониторинговые исследования для наблюдений за уровнем и качеством грунтовых вод устанавливают регламентом отбора проб грунтовых вод на устроенных наблюдательных гидрорежимных скважинах. Замер уровня грунтовых вод и отбор проб на анализ проводят до полива и после полива. Следует отметить, что прежде чем измерение концентрации подземных вод сравнивать с допустимыми и по результатам делать заключение при мониторинговых исследованиях подземных вод, согласно нормативным требованиям по загрязнению их, определяется уровень соответствия, прежде всего, объективной оценки работы, например, дождевальной техники, откуда происходит водозабор воды. Кроме того, в весенне-осенние паводки, во время изобилия атмосферных осадков уровень грунтовых вод повышается.

Длину открытого прямолинейного в плане коллектора, имеющего откосы, объект разбивается на ряд малых аккумулирующих участков, например, с помощью устройства для регулирования уровня воды каждого последующего участка в подпорном режиме верхнего бьефа, где размещают перегораживающее подпорное водопереливное сооружение, которое выполнено в виде короба, установленного с возможностью принудительного перемещения по наклонным к горизонту направляющим. При этом каждый из которых создает на своем участке в верхнем бьефе подпор воды, и образуют устойчивый поток в аккумулирующем участке необходимой глубины. Благодаря этому на первом этапе, поступающий поток из дрен замедляет скорость движения и принудительно фильтрует через заросли высшей водной растительности (например, рогоза узколистого) по дну коллектора, и в процессе фильтрации очищает часть его от загрязняющих веществ путем извлечений биогенных элементов культивируемыми растениями. При этом на каждом малом участке открытого коллектора перед подпорным перегораживающем водопереливном сооружении, другая часть взвешенных веществ оседает на дно в зоне сооружения в виде донных отложений плотным слоем, затем, например, механически в ручном в виде убирают его, или применяют драгу (в зависимости от параметров коллектора и его расходов воды), т.е. очистка осуществляется по направлению течения перед подпорным сооружением на каждом участке. Проводят анализ результатов очистки каждого участка и коррекцией последующих этапов механической очистки, учитывая химический состав грунтовых и дренажных вод, вытекающих из дрен. Под параллельной очисткой подразумевается не только очистка высокостебельной высшей растительностью, но очистка от донных части отложений, например, для малых участков и с малыми параметрами коллектора (канала) с прямыми откосами, можно это делать вручную обычными орудиями, как лопата и ведра, а для больших размеров коллекторов применяют драги, затем все это складируется рядом на участках поля, и делают планировку донных отложений после уборки урожая с поля.

Анализ результатов очистки заключается в анализе химического состава также воды с использованием портативных экспресс - анализаторов, на основании которого прослеживается весь путь движения воды в каскаде гидротехнических сооружений и степень загрязнения на конечном участке в сторону водоема.

Такое расположение трассы открытого коллектора с разбивкой на ряд малых участков позволяет лучше аккумулировать и учитывать уклон местности с коллектором перед подпорным водосливным сооружением, более эффективно очищают не только засаженными высшими водными растениями, но и на втором этапе благодаря изъятия донных отложений (ила), что в комплексе приводит к быстрому установлению нового экологического равновесия с улучшением качества воды, учитывая при этом верхние и нижние части поля по их высотному положению.

Подпорно-регулирующие сооружения на сбросных коллекторах позволяют при этом перераспределять поступление дренажных вод из дрен в пределах осушаемого поля с близким залеганием грунтовых вод или орошением поля.

Кроме того, с помощью данных сооружений в открытых коллекторах для сельского хозяйства, и которые содержат береговые участки с переходом на прямые откосы коллектора (канала), соответственно, ограничены по длине перегораживающим водопереливным сооружением в виде переливного короба, установленного с возможностью принудительного перемещения по наклонным к горизонту направляющим, высота которого равна 1,5-2,0 оптимальным глубинам произрастания засаженными высшеми водными растениями, надводный участок, который выше не затоплен, независимо от подводного участка коллектора в поперечном сечении, ось его направлена с уклоном может быть любым.

На разных полях орошаемых и осушаемых участков в зависимости от водопотребности культур, погодных условий и почвенно-мелиоративных условиях, возможна реализация технологии осуществления предложенного способа.

Следует отметить, что в летний период, наличие перегораживающих водопереливных сооружений при разбивке на ряд малых участков позволяет образовывать дополнительные заросли высших водных растений на пути по глубине потока воды по сечению коллектора, далее получения чистой воды в конце в водоем потребителя. В результате этого отсутствует кольматация у перегораживающего сооружения с донными веществами осаждения на дне, при этом возможно часть химических элементов разлагаться в нижнем слое, часть улетучиваться в атмосферу, т.е. в период большого прихода воды с поля.

В зимний период выход воды из дрен практически резко падает, уровни в открытом коллекторе (канале) снижаются ниже максимального. В этом случае перегораживающее подпорное сооружение в виде водопереливного короба закрывает пролет по ширине коллектора в поперечном сечении. В связи с этим в зимний период перед сооружением накапливается большое количество объема снега на каждом участке с сооружением, происходит это в течение зимнего периода времени. Образуются большие объемы по всей длине коллектора. Таким образом, весной в период положительных температур воздуха, снег превращается в воду, открывают принудительно перегораживающее подпорное сооружение, в результате этого на данном этапе, после зимнего периода, нижний оставшийся на дне ил разбавляется чистой водой и происходит непосредственный попуск вниз по течению избыточной воды большим объемом, чем освобождают перед вегетационным периодом (летне-осенним) для осушительной системы верхний бьеф коллектора с перегораживающим подпорным водопереливным сооружением в виде короба, что также не перенаполняет разбитые короткие на участки коллектора, сохраняя расчетное их наполнение, затем опускают сооружение вниз на дно коллектора. В работу вступает перегораживающее подпорное водопереливное сооружение в виде короба с водовыпускным отверстием с переливными в верхней части боковых стенок водослива, к которому крепится стенка щита с регулятором ее положения.

В связи с этим уменьшаются антропогенное воздействие на нижерасположенные водоемы, что в настоящее время является актуально в мелиорации, в целях создания условий для сохранения рационального использования водных биоресурсов возрастания. При этом особенно важно одновременно использовать в вегетационный период экологичные мелиоративные мероприятия с помощью также высшей водной растительности.

По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружено аналогичное техническое решение, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная технологическая схема для осуществления способа; на фиг. 2 показано предлагаемое сооружение для регулирования уровня воды в виде подпорного сооружения; на фиг. 3 разрез поперек коллектора.

Устройство состоит из коллектора 1 (канала) с прямыми откосами в поперечном сечении, с дном 2, с откосами 3, растениями 4, бровкой 5 и дрен 6.

На дне 2 коллектора 1 высажены высокостебельные высшие водные растения 4, например рогоз узколистый, или камыш, или тростник озерный, или роголистник и другие.

Длину прямолинейного в плане коллектора 1 разбивают на ряд коротких (малых) аккумулирующих участков, на которых устраивают перегораживающее подпорное водопереливное сооружение, которое выполняют в виде короба 7, установленного с возможностью принудительного перемещения по наклонным к горизонту направляющим 8. В верхней части напорной стенки 9 короба 7, выполняют водопропускное отверстие 10. Водопропускное отверстие 10 снабжают подпружиненным клапаном 11 с внутренней стороны короба 7, над которым размещают по ширине короба водосливной козырек 12. В нижней части другой сливной торцевой стенки 13 короба 7 выполняют водовыпускное отверстие 14, сообщение которого с нижним бьефом выполнено свободно. Стенку 13 выполняют в виде части сливного щита и снабжают в верхней части своей регулятором 15 ее положения. Кроме того, по всей ширине сечения коллектора 1 с дном 5 со стороны торцевой стенки 13 короба 7 размещают водослив 16 из монолитного бетона. Перегораживающее водопереливное сооружение 7 верхнего бьефа работает в автоматическом режиме и позволяет повысить точность и надежность работы верхнего бьефа коллектора 1 (канала) в сторону расположения слива воды из дрен 6 и поддержания в коллекторе постоянного напора (уровня) воды и оптимальным глубинам на каждом коротком участке его произрастания высшей водной растительности. Высота перегораживающего водопереливного сооружения, выполненного в виде короба 7 равна 1,5-2,0 оптимальным глубинам произрастания высшей водной растительности.

Участки коллектора 1 культивируют тот вид растения, который по извлекающей способности является наиболее эффективным для очистки транспортируемой дренажной воды, поступающей из закрытых дрен 6 или стекающей с бровки орошаемых полей по откосам 3 в коллектор 1, или при ливневых дождевых атмосферных осадков с бровки 5 по откосам 3, т.е. вносимых с прилегающих территории загрязняющих поверхностных и дренажных вод с учетом залегания грунтовых вод, например, тростник обыкновенный, рогоз, камыш озерный и другие.

Следует отметить, что удобрительные поливы жидким навозом положительно влияют на рост растений и создают прибавку урожая кукурузы на силос на 10,75 т/га, подсолнечника на зеленый корм и силос на 10,07 т/га, овса с многолетними травами на 5,9 т/га по сравнению с урожаем, полученным при орошении водой. На участке, орошаемом смесью воды и навоза, содержащей органическое вещество, величина гумуса в верхнем пахотном горизонте может, увеличится на 18,5%. Происходит и некоторое обогащение нижних горизонтов, повысив потенциальное плодородие почвы. Однако при этом почва дренирует в сторону закрытого дренажа и может достичь грунтовых подземных вод, в случае их близкого залегания от поверхности почвы. Увеличение полива стоками увеличивает количество азота в пахотном и подпахотном горизонтах соответственно на 12,5% и 33%, не смотря на его значительный вынос с урожаем. Поэтому необходимо иметь закрытую экологически чистую систему. Контроль за загрязненностью дренажных вод с мелиоративной системы возможен непосредственно в самом открытом коллекторе, который снабжают выращиванием высшей водной растительностью, а также устройство перегораживающих подпорных водосливных сооружений, с последующей очисткой в зоне расположения верхнего бьефа перед сооружением. Таким образом, вопросы успешного перехода к интенсивной технологии возделывания сельскохозяйственных культур, не могут быть решены за счет одного фактора - управление пищевым режимом почвы, т.е. кроме питания, растениям одновременно требуется еще вода, воздух и тепло. Поэтому поставленная проблема должна решаться путем исследований комплекса неразрывно связанных основных факторов жизни растений - водного, воздушного и пищевого режима почвы. Обязательное условие применения удобрительного орошения - недопущение самотечного сброса растворов за пределы орошаемого или осушаемого массива, при этом концентрация химических веществ должна постоянно контролироваться. Эти вопросы должны решаться на стадии предпроектной подготовки, обоснования расчета также является установление фильтрационных потерь через толщу почвы и определении расходов сбросных коллекторов.

Следует отметить некоторые особенности высшей водной растительности при культивировании того или иного вида растений.

Рогоз узколистый (лат. Typha) - единственный род растений монотипного семейства Рогозовые. Рогоз - высокие болотные травы умеренных и тропических стран. Листья длинные, лентовидные, корневые; стебель заканчивается коричневым початком в верхней части, которого сидят мужские, а в нижней - женские цветки. В европейской части России встречаются до четырех видов рогоза. Волоски околоцветника, образующие при созревании плодов пух. Корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов. Обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли (перифитон) выполняют активную роль в очистке воды. Организмы бентоса утилизируют органическое вещество илов и обитающих там бактерий. Под влиянием всех этих процессов в воде повышается содержание растворенного кислорода, возрастает прозрачность и содержание биогенных веществ, снижается минерализация воды и количество промежуточных продуктов распада органического вещества.

Тростник обыкновенный - образует под водой узлы побегов. Общая поверхность этих корней в зависимости от числа побегов может в 10-15 раз превышать площадь, занимаемую растениями.

Такие растения, как заросли тростника и рогоза могут задерживать водными корнями до 90% взвешенных веществ, содержащихся в загрязненных водах. Однако при этом следует отметить, что значительная часть элементов все же остается в отмерших остатках растений и при разложении снова возвращается по течению воды, например, в водоем. Поэтому требуется систематическое выкашивание водных растений в конце вегетационных мероприятий на мелиоративной осушительной системе, т.е. это связано с концентрацией многих химических элементов в тканях растений и напрямую зависит от их содержания в грунтах и в воде.

Камыш (лат. Scirpus) - род многолетних и одноцветных прибрежно-водных растений семейства Осоковые.

Таким образом, высшая водная растительность способна осуществлять детоксикацию различных вредных веществ, сбрасываемых, например, в открытые коллектора (каналы), далее, сбрасываемых в водоем без нарушения экологической обстановки в последнем. Способность высших водных растений может удалять из воды загрязняющие вещества - биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), ионы тяжелых металлов (кадмий, медь, свинец, цинк).

Способ для исследования при осуществлении предложенной системы управления очистки загрязненных дренажных вод, рассматривается авторами уже к внедрению на одном из участков территории Могилевской области Республики Беларусь, который включает закрытую дренажную систему из полиэтиленовых гофрированных труб диаметром 63 и 90 мм, расстояние между дренами определяется по известной методике А.И. Мурашко согласно РПИ-82, часть П, книга 1 (ТКП 45-3.04-8-2005). Минимальная глубина заложения дрен в минеральных грунтах 1,1 м. Минимальный уклон дрен на безуклонной поверхности принимается 0,001, а также в соответствии с уклоном поверхности (Мелиоративные системы и сооружения. Нормы проектирования: ТКП 45-3.04-8-2005 (02250). - Минск, 2006. - 105 с.; Реконструкция осушительных систем. Правила проектирования: ТКП 45-3.04-177-2009 (02250). - Минск, 2010. - 54 с.). При этом в состав открытого сбросного коллектора определяется нормами проектирования параметрами: шириной по дну, глубиной, откосами, уклоном, высаженной растительности, расхода воды с заполнением до отметки МПУ за счет применения перегораживающего водопереливного сооружения, непосредственно также и для сброса дренажных и ливневых вод в водоток.

Способ управления очисткой загрязненных поверхностных и дренажных вод осуществляется следующим образом.

С помощью определения загрязнения поверхностного или дренажного стока, поступающего в открытый коллектор 1 (канал), вода стекает через бровку 4 и по откосу 3 заполняет открытый коллектор 1, для чего делят его на множество коротких (малых) аккумулирующих участков между собой для накопления воды и затопления густой травяной растительности, работающая как фильтр, резко ускоряет процесс очистки поверхностных и дренажных вод, а также близко залегающих грунтовых вод на полях мелиорации. Этот процесс производят путем устройства при излишках также воды в коллекторе 1 положением перегораживающего водопереливного сооружения в виде короба 7, занимающего нижнее положение с установленной стенкой 13 определяемом уровнем воды на каждом отдельном участке по длине открытого коллектора 1 с дном 5. Положение перегораживающего водопереливного сооружения в виде короба 7 поддерживают с помощью регулятора 15 положения. Этот процесс производят путем перемещения стенки 13 короба 7 по направляющим 8. При накоплении воды выше отметки МПУ (максимально подпертый уровень) возникает давление на сливной короб со стороны стенки 13 (р - давление воды), что необходимо для затопления высаженных высокостебельных водных растений 4, например рогоз узколистый и другие в коллекторе 1 с дном 5 и на откосах 3, допускающее их подтопление. Поступающие при интенсивном стоке воды с полей мелиорации и накапливаясь в прикорневой зоне травяной растительности, они образуют дополнительный фильтр при необходимой глубине и далее осаждение тонких взвесей сообществом высших водных растений.

Под действием силы давления воды подпружиненный клапан 11, снабженный с внутренней стороны короба, отжимается и также открывает водопропускное отверстие 14, через которое верхний слой воды поступает в короб 7. Кроме того, часть воды устремляется через сливные стенки короба 7 в полость его, а из нее - через водовыпускное отверстие 14, а другая часть воды переливается через водослив 16 и также поступает на следующий аккумулирующий участок открытого коллектора с высаженными высокостебельными высшими растениями 4, при этом происходит аэрация воды от первого до последнего участка канала, при этом позволяет обеспечивать контроль за качеством очистки сточных вод.

При понижении уровня воды в коллекторе 1 с дном 5, соответственно, напор воды уменьшается, и давление на подпружиненный клапан 11 тоже уменьшается, при этом последний отжимается пружиной в исходное положение. Это обеспечивает автоматическое поддержание уровня воды в верхнем бьефе посаженной густой растительности в процессе эксплуатации, соответственно, на этом фильтре откладываются взвешенные вещества с образованием корневого затопления растений. Таким образом, все разделенные на короткие участки по длине открытого коллектора 1 (канала) остается часть объема воды W_мак. При этом затопление коллектора начинается с верхних участков (каскада) и зависит от поступления поверхностного стока, или из закрытых дрен осушаемого поля с учетом одновременно поддержания уровня подземных вод в сторону корневой системы выращивания культурных растений на мелиорируемых землях (почвах).

Причем оценка результатов очистки каждого участка перед перегораживающим подпорным водосливным сооружением, определяет также контроль осадка ила от взвешенных веществ, и объем в потоке на всех этапах очистки, часть которой подвергается дополнительной очистки посредством высшей водной растительности 4, которая обеспечена водой постоянно, за счет формирования каскада из подпорных перегораживающих водопереливных сооружений, что создает поток необходимой глубины. Поэтому течение воды принудительно фильтрует через заросли растений и в процессе фильтрации основная часть очищается от загрязняющих биогенных элементов культивируемыми растениями.

Для проведения удаления отложившихся осадков ила перед сооружением на каждом участке, разделенного открытого коллектора, производится дополнительно параллельно механическая очистка с анализом результатов очистки перед сооружением. Под параллельной очистки донных отложений взвесей подразумевается для малых параметров коллекторов достаточно, будет подручных средств, как лопата и ведра, а для больших параметров коллекторов - механическая драга. Все это затем складируют на участке поля и разравнивают равномерно.

Во вневегетационный период, например, осенний, перегораживающие сооружения в виде короба 7 со стенкой 13 с помощью регулятора 15 перемещают вверх по направляющим 8, открывают пролет полностью каскадные аккумулирующие участки по длине коллектора 1, далее происходит весь сток воды. Массу в нем высшей водной растительности скашивают, убирают и складируют в безопасном месте, и сжигают, чем освобождают коллектор для выращивания новой высшей водной растительности в летний период. После этого короб 7 со стенкой 13 вновь опускают на дно 5 коллектора 1 и перекрывают аккумулирующие участки его на осенне-зимний период.

Следует отметить, что после вегетационного периода орошаемых и осушаемых участков (поля), наступает осенне-зимний периоды, перегораживающие подпорные водопереливные сооружения полностью опускают на дно 5 коллектора 1, короб 7 со стенкой 13, что обеспечивает накопление заданного объема снега и дождевых осадков.

Таким образом, в весенний период при положительной температуре воздуха происходит таяние снега, объем чистой воды увеличивается в верхнем бьефе сооружения. В результате этого, вновь открывают все аккумулирующих каскады участков с применением перегораживающих водопереливных сооружений в виде короба 7 со стенкой 8 перемещением вверх, коллектор промывается по длине чистой водой вниз в водоток и, далее, коллектор готов для выращивания новой высшей растительности в летний период, но при этом после стока воды, устройства вновь опускают вниз и перерывают поперечное сечение коллектора 1.

В результате такого технологического процесса в целом сбросной коллектор готов к эксплуатации при отсутствии вначале его загрязнения и накопления на дне коллектора отмерших органических остатков, а также вредных веществ.

Система позволяет не нарушать размыв коллектора по длине, откосов и дна, которое создало сток воды в весенний период без попусков через верх сооружения в виде перегораживающего водопереливного подпорного короба со стенкой.

Таким образом, включение в состав сбросного открытого коллектора системы каскада аккумулирующих участков сооружений позволяет рационально управлять очисткой загрязненных поверхностных и дренажных вод после орошения и осушения за счет их аккумулирования и перераспределения по длине коллектора, осуществлять и водообмен, то есть непрерывно очищается и достигает требуемого уровня очистки в конце коллектора в водный объект без нарушения экологической обстановки, и позволяет установить новое экологическое равновесие с существенным улучшением качества поверхностной воды при эксплуатации сбросного коллектора предложенным способом очистки его на данном объекте мелиорации (например, осушение) в очистке загрязненных веществ. Совокупность признаков раскрытия сущности изобретения достаточны для его реализации при строительстве дренажных систем. В целом это зависит от разнотипного состава почв, применения удобрений, основы ландшафта данного исследуемого объекта на установление загрязнения грунтовых вод, взятие и биохимический анализ проб грунтовых и дренажных вод, соответственно и почвы, а, в целом обеспечивает достаточно высокую степень очистки, что позволяет сбрасывать эти воды в водный объект без нарушения экологической обстановки в последнем. Кроме того, это повышает устойчивость и надежность работы сооружения в широком диапазоне изменения нагрузок, расходов, температур и состава подаваемых на очистку вод.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для комплексной очистки дренажных и сбросных вод удобрительными поливами и осушения земель, а также для контроля за состоянием грунтовых вод при поливе. Согласно способу длина прямого в плане сбросного коллектора 1 разделяется на ряд коротких аккумулирующих участков, расположенных один ниже другого и снабженных подпорными перегораживающими водопереливными сооружениями 7, и представляет собой каскад, конструктивную систему регулирования с многоступенчатой очисткой посредством высокостебельной высшей водной растительности. Осуществляют при этом на каждом аккумулирующем участке затопление корневой системы в период вегетации. Перегораживающие водопереливные сооружения выполнены в виде короба 7, установленного с возможностью принудительного перемещения по наклонным к горизонту направляющим, и обеспечивают возможность забора воды и отвод ее за пределы разделенного на участки коллектора 1, выполняют автоматический сброс воды уровня верхнего бьефа и одновременно производят затопление высокостебельной высшей водной растительности подпорным водопереливным коробом 7 высотой, равной 1,5-2,0 оптимальной глубины произрастания водной растительности для коллектора 1, выполненного в плане прямыми участками с его уклонами по течению воды. Использование изобретения повышает эффективность очистки, надежность работы и стабилизацию пропускной способности сооружения путем создания оптимальных условий существования биогеоценозов водной растительности, а также постоянной аэрации очищаемых вод. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления очисткой загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их по мелиоративному каналу с переменным расходом и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, загрязненные поверхностные и дренажные воды подвергают многоступенчатой предварительной очистке кустарниковой и травяной растительностью, при этом пропуск вод определяют путем содержания вредных веществ, не превышающих предельно допустимой концентрации, отличающийся тем, что мелиоративный канал выполняют в виде открытого прямого в плане сбросного отстойного коллектора, непосредственно примыкающего по уклону рельефа к дренажным осушительным системам для отбора воды из них, и разбивают на отдельные прямолинейные в плане короткие аккумулирующие участки, расположенные один ниже другого и последовательно соединенные между собой перегораживающими подпорными водопереливными сооружениями в виде короба с возможностью регулирования его перемещения по наклонным к горизонту направляющим, с возможностью забора воды за пределы сбросного коллектора с автоматическим сбросом воды уровня верхнего бьефа, при этом образующиеся аккумулирующие емкости в верхнем бьефе используют для механической поэтапной очистки осевших компонентов веществ с анализом результатов перед сооружением.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водопереливное подпорное сооружение в виде короба выполняют с возможностью вертикального регулирования, а в верхней части выполняют водопропускное отверстие, снабженное с внутренней стороны короба подпружиненным клапаном с размещенным над ним водосливным козырьком, и в нижней части другой водосливной торцевой стенки короба, установленной в наклонных направляющих, выполняют водовыпускное отверстие, при этом высота стенки короба подпора равна 1,5-2,0 оптимальной глубины произрастания высшей водной растительности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическое удаление загрязненных донных отложений осуществляется с помощью подручных орудий в виде лопаты и ведер непосредственно со складированием рядом на участке поля и их выравнивания, или с помощью механической драги.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализ результатов очистки донных отложений веществ проводится путем оценки состояния, а также воды уровня угнетения водорослевого сообщества на основании агрохимической лаборатории весь объем аналитических работ по определению значений биохимических показателей химического состава перед сооружением, в том числе определяют подвижный калий, фосфор и азот нитратов, сравнивают с допустимым периодом полива и осушения, по результатам сравнения судят об экологической безопасности вредных загрязняющих веществ в точках отбора по направлению преобладающего для перелива через короб горизонтов воды на местности данного сбросного коллектора.