СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЗАПАСОВ ВОДЫ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ТОРФЯНЫХ БОЛОТ
METHOD FOR CREATING ADDITIONAL RESERVES OF WATER AT RESTORATION OF PEAT BOGS

Изобретение относится к добыче торфа, в частности к восстановлению торфяных болот на выработанных торфяниках и их рекультивации с использованием климатических факторов, в частности под действием солнечного воздействия на использование ледяного массива для задержания избытка талой воды - для восстановления торфяных болот.
Значительная часть выработанных, а также выведенных из эксплуатации в начале 90-х годов XX века торфяных месторождений не рекультивировалась. Выработанные торфяники характеризуются полным либо частичным истощением водных запасов, понижением (по сравнению с существующим до начала торфоразработок) уровнем грунтовых вод, отсутствием флоры и фауны, опасностью в пожарном отношении. Поэтому их обводнение является основным видом рекультивации выработанных и выведенных из эксплуатации торфяных месторождений, для чего необходимо иметь дополнительное (искусственное) увлажнение - заполнение водой.
Для экологической реабилитации выработанных торфяников обводнение дает ряд преимуществ:
интенсификация процесса восстановления водного объекта;
возобновление и ускорение торфообразования;
резкое снижение пожарной опасности;
относительно низкая стоимость производства работ по сравнению с другими видами рекультивации.
К задачам, решаемым, при обводнении выработанных торфяников относятся: восстановление водосбора обводняемой территории и организация сбора поступающих на нее вод; подъем уровня воды на выработанной площади и прилегающей к ней территории до отметок, по возможности, приближающихся к отметкам, существующим до начала торфоразработок, то есть восстановление исходного гидрологического режима.
После восстановления гидрологического режима будет получен значительный экономический эффект за счет возобновления болото- и торфообразовательных процессов и последующего возрождения биосферных функций, а также ликвидации эрозионной и пожарной ситуации не только на нарушенных участках торфяника, но и прилегающей к ней территории.
Пути и способы обводнения должны определяться с учетом: величины и конфигурации в плане, местоположения территории; условий, сложившихся после окончания добычи торфа на месторождениях; рельефа поверхности; уровней режима каналов сети осушения и водоприемника.
Вокруг восстанавливаемого болота организуются буферные зоны по ограничению хозяйственной деятельности и в зависимости от типа болота устанавливаются их границы.
В рамках проекта «Восстановление торфяных болот России в целях предотвращения пожаров и смягчения изменений климата», является частью Международной климатической инициативы (IKI), в России совещания проводились в 2001, 2005 и 2006 годах. В 2016 году (27-28 сентября) было проведено международное совещание Владимир - национальный парк «Мещера», «Восстановление торфяных болот в России в целях предотвращения пожаров и смягчения изменений климата: Результаты проекта и перспективы сотрудничества, где предпочтение было отдано непосредственно осмотру объектов. Примером является ссылка на публикацию (Задеренко О.И., Ямпольский А.Л., Власов Е.Б. «Временные рекомендации по проектированию обводнения выработанных и выведенных из эксплуатации площадей торфяных месторождений». Часть 3. Москва, 2008).
Известен способ тушения лесных пожаров, заключающийся в доставке в зону пожара сжиженного азота, используемого в качестве средства тушения, при этом доставку сжиженного азота в зону пожара осуществляют в сосуде из глубокозамороженного льда, при этом последний используют в качестве средства тушения для усиления эффекта тушения сжиженным азотом действием ледяной массы, за счет таяния которой поглощают тепло в зоне пожара и пропитывают ледяной водой почву, ликвидируя глубинные очаги пожара и препятствуя вторичному возгоранию (Патент RU №2147901, А62С 3/02 от 27.04.2000).
Недостатком описанного способа тушения лесных пожаров является то, что он представляет собой точечную доставку сжиженного азота в зону пожара, однако данный способ недостаточно эффективен, так как при контакте с огнегасящей жидкостью, как бы ни была она охлаждена, вода идет на испарение, т.е. другими словами не происходит объемного воздействия газожидкостной смеси на объект загорания или, в лучшем случае, имеется одномоментное воздействие этой газировочной смеси на объект. В таких случаях на выработанных торфяниках надо применять дополнительное (искусственное) увлажнение, необходимое для восстановления нарушенного болота, а это значит, низкая эффективность и недостаточная экологическая надежность.
К известному аналогу можно отнести также способ тушения пожара путем подачи в очаг пожара насыщенной углекислым газом воды, которую насыщают до массовой концентрации газа 2-6%, после чего газожидкостную смесь замораживают до температуры (-15)…(-20)°C, формируя массой 4-12 кг, которыми покрывают очаг пожара (Патент RU №2302887, А62С 3/02 от 20.07.2007).
Недостатками данного способа тушения пожара являются низкая эффективность и ненадежность работы и, соответственно, недостаточная экологическая надежность.
Известен способ предотвращения пожара в торфяниках, включающих прокладку каналов вокруг очага возможного возгорания, подачу и накопление каналов водой, в зимний период прокладывают каналы по всему очагу возможного возгорания и намораживают в подготовленных каналах и естественных углублениях ледяные массивы посредством подачи воды в них в зимний период (Патент RU №2254154, А62С 3/02 от 20.06.2005).
Недостатками данного технического решения являются недостаточная эффективность при малом количестве выпавших осадков при интенсивном испарении на торфяно-болотных почвах, в подготовленных каналах в летний период очень малый накопительный (недостаточный) объем воды при таянии льда, кроме того, грунтовая вода нередко уходит глубоко в землю, при этом возникает вероятность возникновения пожаров. В таких случаях на торфяных почвах надо применять дополнительное (искусственное) увлажнение, в частности, это связано, как правило, с подводом воды из естественных природных источников или искусственных водоемов, что не отмечено в аналоге, а это значит, недостаточная экологическая надежность.
Известен способ тушения пожара на глубине, включающий подачу воды ниже уровня поверхности земли, воду подают непосредственно к очагу горения, для чего в зависимости от глубины расположения очага на удаленном расстоянии от него проходят котлован глубиной, соответствующей глубине нахождения огня, и из него пробуривают горизонтальную с установкой обсадной колонны скважину в направлении горения либо, если огонь находится на значительной глубине торфяника, с поверхности земли на удаленном расстоянии от очага горения пробуривают наклонную с установкой обсадной колонны скважину в направлении очага горения и искривляют ее в горизонтальной плоскости на глубине горения торфа, затем в пробуренную любым способом скважину помещают перфорированную на конце бурильную трубу и подают в нее под давлением воду, после ликвидации очага горения бурильную трубу извлекают, а обсадную колонну используют для тушения повторного возгорания (Патент RU №2438739, А62С 3/02 от 10.01.2012).
Недостатками описанного способа тушения пожара на глубине являются использование сложной буровой установки с насосами, для реализации способа с поверхности земли требуется специальный котлован, хранения и отведения воды, кроме того, требует больших дополнительных энергетических затрат и времени. Кроме того, недостаточная эффективность и большая трудоемкость процесса подачи воды на глубине, связано с большими затратами времени для нагнетания воды или специальной жидкости в очаг горения, т.е. затягиваются сроки затопления отдельных участков, что связано и с колебаниями уровней грунтовых вод на них (в том числе на территории, прилегающей к обводняемой площади), что не позволяет полностью исключить возможность повторного возгорания торфяника, а это значит, низкая эффективность и недостаточная экологическая надежность.
Известен способ тушения пожаров на лесных и торфяных массивах, включающий выделение наиболее пожароопасных участков, размещение на площади участков вертикальных скважин, установку в скважины перфорированных труб, помещенных в водонепроницаемые термопластичные оболочки с дымообразующим пиротехническим составом, фиксацию координат скважин на лесопожарной карте, скважины бурят до глубины нахождения грунтовых вод и устанавливают в них дополнительно обсадные трубы с диаметром меньше диаметра перфорированных труб и обеспечивающим возможность прохождения глубинных насосов, которые при возникновении пожара через автоматические устройства подключают к автономным источникам питания, и подают воду в разветвленную быстросборную трубопроводную систему (Патент RU №2442623, А62С 3/02 от 07.10.2010).
Обладая определенным преимуществом перед аналогами, данный способ обладает и существенными недостатками, которые заключаются в его принципиальной технической схеме воздействия на очаг возгорания, а именно высокая стоимость использования дополнительных труб с глубинными насосами, большой расход кабельной продукции и трудоемкость мероприятий с дополнительными энергетическими затратами. Кроме того, располагающая от земной поверхности глубина грунтовых вод для каждой скважины буде различна, соответственно требуются дополнительные изыскания и проектирования самостоятельных скважин с кабельным оборудованием.
Наиболее близким к предлагаемому является способ создания дополнительных запасов воды при восстановлении торфяных болот, характеризующийся тем, что осуществляется в осенне-зимний период года с установлением устойчивой среднесуточной температуры воздуха ниже температуры замерзания воды с использованием льда в виде блоков, выполненных в форме многогранников, при этом вблизи доступного источника пресной воды изготавливают блоки изо льда, затем изготовленные блоки с помощью транспортного средства перемещают на картированные участки выработанного торфяника и укладывают несколькими слоями в сооружение в форме многогранника, при этом на каждом картированном участке выработанного торфяника в зависимости от площади участка возводят одно или несколько сооружений из блоков изо льда (Патент RU №2461401, А62С 3/02, Е02В 13/00, Е21С 41/32 от 20.09.2012).
Недостатками данного технического решения являются недостаточная эффективность на большой площади выработанного торфяника и большая трудоемкость процесса изготовления (вырубки) блоков и доставки непосредственно в зону рекультивации выработанных и введенных из эксплуатации торфяных месторождений и восстановление исходного гидрологического режима, иначе говоря, низкая эффективность использования доставки блоков изо льда и недостаточная экологическая надежность. Кроме того, изготовление блоков изо льда предназначено для перевозки автотранспортом и предотвращения потерь на их сохранность, обладает ограниченными функциональными возможностями, так как он не учитывает возможность большого накопления вод на рекультивирование с использованием климатических факторов в целом. При этом отсутствует значительный экологический эффект восстановления исходного гидрологического режима на восстановление торфяного месторождения, т.е. возобновления болото- и торфообразование процессов и последующего возрождения биосферных функций, а также ликвидация эрозионно- и пожароопасной ситуации не только на нарушенных участках торфяника, но и на прилегающей к ней территории. Кроме того, пути и способы обводнения должны определяться с учетом величины и конфигурации в плане, местоположения рассматриваемой площади относительно всего месторождения и окружающей территории; рельефа поверхности, величины сработки торфяной залежи; способа отвода воды с рассматриваемой площади; уровней режима каналов сети осушения на время разработок торфяника и водоприемника. Другим недостатком является малый период времени продуктивного использования отдельных массивов льда, доставляемый автотранспортом, глубина заполнения выработок торфяника и его заполнение водой, формирование микроклимата многоярусного сообщества и комплектности болотной растительности, т.е. отсутствуют условия, связанные с большим накоплением воды для их затопления, а также поддерживать биоразнообразие, в том числе вносить вклад в сохранение находящихся под угрозой мест обитания флоры и фауны, предотвращать зарастание типичных травяных ценозов кустарниками, а также приносить необходимые социальные выгоды, соответственно, и ликвидации пожароопасных участков возгорания на больших территориях.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение эффективности путем обеспечения регулирования и экологической надежности при обводнении выработанных торфяников и прилегающих к ним территорий, до отметок, существующих до начала торфоразработок, а также затяжное и более интенсивное накапливание воды в результате таяния ледяных массивов.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе создания дополнительных запасов воды при восстановлении торфяных болот, заключающемся в создании использования воды с доступного источника, ее перемещении на затапливаемые участки выработанного торфяника, создают условия для пруда-накопителя, пруда-аккумулятора и пруда-распределителя, которые располагают по уклону местности последовательно, разделяют их между собой земляными плотинами с выполненными в них водовыпусками, оборудованными задвижкой, с напорными трубопроводами, и гидравлически сообщают между собой, при этом в условиях развитой овражно-балочной сети вокруг пруда-аккумулятора создают льдоплощадки, выполненные в форме полукруга с ограничительными валами, предназначенными для формирования ледяного массива и задержания избытка талой воды с последующей подачей в пруд-аккумулятор, при этом пруд-накопитель снабжают напорным трубопроводом с насосной станцией, снабженной по длине проходящего по берегу созданных льдоплощадок напорного трубопровода предусмотренными гидрантами с подключением к ним дождевателей для формирования намораживания площадок льда, а пруд-распределитель снабжают искусственно созданным каналом, расположенным по горизонтали местности, впадающим в концевой части на участки выработанных торфяников, при этом канал может быть оборудован подпорными каскадными регулирующими сооружениями уровня нижнего бьефа.
Кроме того, для подачи воды из льдоплощадок с увеличением солнечной активности в летний период в пруд-аккумулятор подают воду непосредственно через трубопровод, оборудованный задвижкой.
Кроме того, льдоплощадки, выполненные в форме полукруга по сторонам пруда-аккумулятора после намораживания каждой из льдоплощадок, покрывают теплоизолирующим материалом предпочтительно распылением черного грунта гидрофильного капиллярно-пористого или торфяной массы распылением.
Кроме того, участки выработанного торфяника разделяют перемычками на отсеки интенсивного заполнения водой, гидравлически связанные между собой и с прудом-распределителем, выполнены отверстия, через которые пропущены вмонтированные в дно перемычек перепускные трубы с затворами.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителями не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Для проверки изобретения требованию «изобретательского уровня» заявители провели дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники не выявлено влияние предусмотренных существенных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная технологическая схема управления дополнительными запасами воды, вид в плане; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вариант выполнения многосекционной льдоплощадки; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - вариант выполнения односекционной льдоплощадки; на фиг. 7 изображено торфяное болото, вид в плане; на фиг. 8 - разрез Г-Г с отсеками на фиг. 7.
Заявленный способ создания дополнительных запасов воды при восстановлении торфяных болот представляет собой конструктивную систему, включающую пруд-накопитель 1, куда по каналу 2 поступают воды из источника, водовыпуск 3, опреснительные льдоплощадки 4, насосную станцию 5, соединенную с водовыпуском 3 и подземным напорным трубопроводом 6 с гидрантами 7 и подключенными к ним дождевателями 8, пруд-аккумулятор 9 опресненных вод, пруд-распределитель 10. Для забора и подачи воды по напорному подземному трубопроводу 11 с задвижкой 12 в пруд-аккумулятор 9 изо льдоплощадок 4 заполнения его в летний период, и пруд-аккумулятор 9 содержит канал 13, прорытый к месту забора воды по центральной продольной оси пруда-аккумулятора 9 с уклоном, достаточным для полного его опорожнения. Пруд-аккумулятор 9 соединяют закрытым трубопроводом с регулируемой задвижкой 14 для отвода в пруд-распределитель 10 после таяния блоков 15 пористого льда на льдоплощадках 4.
Комплекс сооружений технологической линии методом намораживания льда на льдоплощадках 4 выгодно располагать в условиях овражно-балочной сети с соблюдением устройства оградительных валов 16, предназначенных для формирования блоков пористого льда, предпочтительно покрытого черным материалом, распылением из гидрофильного капиллярно-пористого материала в виде торфа и задержания избытков талой воды на льдоплощадках 4, не успевшей пройти по водоотводной системе в пруд-аккумулятор 9.
Льдоплощадки 4 предназначены для намораживания блоков пористого льда 15 путем разбрызгивания вод с помощью дождевателей 8, подключенных через гидранты 7 к подземному трубопроводу 6 с помощью насосной станции 5. Льдоплощадки 4 расположены на пологих склонах балки, на которой предусмотрен весь комплекс технологической линии по подаче чистой (пресной) воды. В конструктивном отношении льдоплощадка 4 представляет собой тщательно спланированную обвалованную территорию (защитный экран может быть выполнен противофильтрационным экраном, из полиэтиленовой пленки, на которой отсыпан дренирующий слой дна - не показано).
Подвод воды к выработанному торфяному болоту 17 осуществляют с помощью открытого канала 18, проложенного от пруда-распределителя 10 и связанного с отводящим трубопроводом 19 с задвижной 20. Воду подают по каналу 18 в сообщающиеся между собой отсеки 21, 22, 23 торфяного болота 17, разделенные земляными перемычками 24 и водовыпусками 25. Для слежения за уровнем воды в отсеках 21, 22, 23 они могут быть оборудованы контрольно-измерительным комплексом (не показано). При этом открытый канал 18 может быть оборудован каскадными регулирующими сооружениями уровня нижнего бьефа (не показано). Сам подводящий открытый канал 18 занимает командное положение по отношению к отсекам 21, 22 и 23. Отсеки 21, 22 и 23 болота 17 размещены на плоской местности и/или на местности с предпочтительно односторонним уклоном от одного отсека к другому отсека торфяного болота 17 в целом и разделены между собой земляными перемычками 24, имеют горизонтальную спланированную сверху дорогу.
В отсеках 21, 22 и 23 входные регулировочные водовыпуски 25 соответственно связаны посредством трубопроводов с регулирующими сооружениями 26 для равномерной подачи воды в отсеки.
В зависимости от объема намораживаемого стока пресной воды опреснительные льдоплощадки 4 могут быть односекционными, двухсекционными и многосекционными. В варианте многосекционной пресной воды льдоплощадки 4 (фиг. 3) предусмотрено частичное перекрытие (на 5-10 м) радиусов разбрызгивания пресных вод. Через каждые 50-60 м по длине подземного напорного трубопровода 6, проходящего вдоль по берегу льдоплощадок 4, предусмотрены гидранты 7 с подключенными к ним дождевателями 8 типа ДДН-70.
Способ создания дополнительных запасов воды при восстановлении торфяных болот работает следующим образом.
Пруд-аккумулятор 9 пресной воды располагают в средней части балки путем устройства глухой земляной плотины. Пруд-аккумулятор 9 должен иметь достаточный объем для принятия вод как паводкового, так и ливнего стока с прилегающего водосбора.
Пруд-распределитель 10 предназначен для заполнения его в теплый период года и наполнения выработанного торфяного болота 17, разделенного отсеками 21, 22 и 23.
Пруд-распределитель 10 представляет собой тщательно спланированную и обвалованную территорию, устроенную в нижней части балки (или местности с направленным уклоном) и максимально вписанную в рельеф. Площадь пруда-распределителя 10 определяется исходя от естественного годового накопления воды в данной местности, чтобы можно было затопить все отсеки 21, 22 и 23 выработанного торфяного болота 17.
Весной в период интенсивного притока воды по каналу 2 поступают в пруд-накопитель 1, когда запасы снега на территории близлежащих болот достаточны. Талые снеговые и ливневые воды, образованные за счет стока вышерасположенного водосбора, собирается в пруд-накопитель 1. Далее часть воды в весенний теплый период поступает в следующий пруд-аккумулятор 9 и пруд-распределитель 10, затем наполняет отсеки 21, 22 и 23 выработанного торфяного болота 17.
После отвода в пруд-аккумулятор 9 определенной массы воды в весенне-летний периоды определенный остаток воды задерживается (остается) в пруду-накопителе 1 для того, чтобы предусмотреть остаточный накопленный объем воды для последующей подачи в осенний период к дождевальным установкам (дождеватели 8), которые подключают к подземному трубопроводу 6 через гидранты 7 (при закрытом перегораживающем сооружении (задвижки 12) при работе насосной станции 5. Для сохранения на более длительное время температуры ледяного массива для льдоплощадок 4 на уровне 0 - минус 5°C обеспечивают условия для намораживания слоев пресной воды в льдоплощадках 4, массив в это период закрывают слоем распыления теплоизолирующего черного материала с покрытием гидрофильно капиллярно-пористого материала (грунта) или в виде торфа (слоем 5-10 см), который наносят искусственным путем с возможным естественным путем при выпадении снега после окончания формирования ледяного массива, т.е. напыление торфа может быть, имеет место метод искусственного напыления, например, с помощью установки «Град» на базе насосной станции 5 типа СНП-75/100 м и дождевателями 8 типа ДДН-70 или с помощью указанного оборудования других модификаций.
В каждом конкретном случае продолжительность эффективной работы образования массива льдоплощадок 4 зависит от погодных условий и используемой для этих целей остаточно накопленной воды в пруду-накопителя 1 и определяется, например, в результате погодных условий в осенний период, предшествующих накоплению воды при создании пруда-накопителя 1.
При наступлении летнего периода времени динамика солнечной радиации (температуры) нарастает и, используя теплоизоляционный черный капиллярно-пористый материал (почву) или торф, лед начинает быстро таять, вода заполняет указанные льдоплощадки 4. Таким образом, с наступлением положительных температур окружающего воздуха начинается процесс таяния ледяного массива, и талая накопленная вода через подземный трубопровод 11, оборудованный задвижкой 12, поступает дополнительно в пруд-аккумулятор 9 при допустимом его наполнении.
После отвода в пруд-аккумулятор 9 основной массы пресной воды она аккумулируется в заданный объем воды в нем для подачи ее в пруд-распредлитель 10, далее через открытый канал 18 заполняет отсеки 21, 22 и 23 выработанного торфяного болота 17 с целью обеспечения затопления данной территории до расчетного поднятия уровня в нем воды, таким образом, поддерживая уровень воды на заданной отметке.
Таким образом, система заполняется и работает в трех режимах всенне-летне-осенний период, в результате территория выработанного торфяника постоянно находится в затопленном состоянии, а это устраняет и его возгорания. Далее ежегодно данный процесс повторяется вновь в течение периода работы системы для дополнительного запаса воды при восстановлении торфяных болот.
Таким образом, весь сток, зааккумулированный в пруду-аккумуляторе 9 и пруде-распределителе 10, используется в летне-осенний период для потребителя, т.е. пруд-накопитель 1 аккумулирует паводковый весенний сток, который затем сбрасывается через водовыпуск 3 в пруд-аккумулятор 9 пресных вод, а также используют воду и для ее зимнего намораживания в целом всей системы.
На основании этих подходов преимущество предлагаемого способа заключается в ее простоте, экономичности, обеспечивая как эколого-мелиоративную обстановку, так и, следовательно, обеспечивая предотвращение возможного возникновения пожара в засушливые периода годы.
К позитивным качествам заявленного технического решения следует также отнести низкие затраты энергии за счет применения в основном самотечного режима работы всех прудов, просто в эксплуатации для обводнения выработанных торфяников местным стоком и не допускает переосушения торфяников, а также ускоряет восстановление животного мира на затапливаемых торфяниках.
Совокупность признаков раскрытия сущности изобретения достаточна для его практической реализации при строительстве обводнения выработок торфяников.