СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ЗАПАСАМИ ВОДЫ НА ОБВОДНЕНИЕ ВЫРАБОТАННЫХ ТОРФЯНИКОВ
METHOD OF CONTROLLING ADDITIONAL WATER RESERVES IN IRRIGATION OF CUTOVER BOGS

Изобретение относится к добыче торфа, конкретно к работам по восстановлению торфяных болот на выработанных торфяниках и их рекультивации, а также с гарантированным поддержанием нормального подпорного уровня воды при любой интенсивности паводков.
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) уровня 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 эрозионно- 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; уровневого 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», являющейся частью Международной климатической инициативы (IKI), в России совещания проводились в 2001, 2005 и 2010 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 глубоко замороженного 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, A62C 3/02 от 27.04.2000).
Недостатками данного способа является то, что он представляет точечную доставку сжиженного азота в зону пожара, однако данный способ недостаточно эффективен, так как при контакте с огнегасящей жидкостью, идет, как бы ни была охлажденная вода на ее испарение достаточно эффективно, т.е. другими словами не происходит объемного воздействия газожидкостной смеси на объект загорания или, в лучшем случае, имеет воздействие газожидкостной смеси на объект загорания или, в лучшем случае, имеет место одномоментное воздействие этой газировочной смеси на объект. В таких случаях на выработанных торфяниках надо применять дополнительное (искусственное) увлажнение, необходимое для восстановления нарушенного болота.
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, A62C 3/02 от 20.07.2007).
Однако известный способ достаточно трудоемок и малоэффективен, как и известный вышеотмеченный способ тушения лесных пожаров.
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, A62C 3/02 от 20.06.2005).
Недостатком данного способа является при малом количестве выпавших осадков при интенсивном испарении на торфяноболотных почвах, в подготовленных каналах в летний период, 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 в свою очередь, связано со значительными затратами энергии и материальных ресурсов, сложностью проведения работ.
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 очага 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, A62C 3/02 от 10.01.2012).
Недостатком известного решения является использование сложной буровой установки с насосами, для реализации способа с поверхности земли требуется специальный котлован хранения и отведения воды, кроме того, требует дополнительных энергетических затрат и времени. При этом использование известного решения ограничено тем, что необходимо долгое время проводить гидродинамическое нагнетание воды или специальной жидкости в очаг горения, т.е. другими словами, не происходят допустимые сроки затопления отдельных участков и колебания уровней грунтовых вод на них (в том числе на территории, прилегающей к обводненной площади), что не позволяет полностью исключить возможность возгорания торфяников.
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, меньшим 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, A62C 3/02 от 07.10.2010).
Обладая определенным преимуществом перед аналогами, этот 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 с дополнительными энергетическими затратами. Кроме того, располагающаяся от земной поверхности глубина грунтовых вод для каждой скважины будет различна, соответственно требуются изыскания и проектирования самостоятельных скважин с насосным оборудованием в целом.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению 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, A62C 3/02, E02B 13/00, E21C 41/32 от 20.09.2012).
Недостатком данного способа является невозможность использования вод местного стока, непосредственно в зону рекультивации выработанных и выведенных из эксплуатации торфяных месторождений и восстановления исходного гидрологического режима, иначе говоря, отсутствие значительного экологического эффекта за счет возобновления болото- и торфообразовательных 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 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; уровневого режима каналов сети осушения на время разработок торфяника и водоприемника. Другим недостатком является высокая трудоемкость работ и малый период времени продуктивного использования массивов льда, глубину заполнения выработок торфяника и становятся они малопригодными для эффективного использования при медленном накапливании воды, формированию микроклимата многоярусного сообщества и комплектности болотной растительности, т.е. отсутствует каскад в виде барьеров, которые могут проектироваться по длине канала из местных строительных материалов (экологически чистых, т.е. с отсутствием применения металла, бетона), таким образом, чтобы эффективно накапливать воду, сглаживать пики паводковых вод, а это в свою очередь ликвидирует (уменьшает) эрозию и делает более равномерным распределение воды и расчета накопления выработанных торфяников в соответствие с существующими нормами, где проводят их затопления, превращения в болото- и торфообразовательный процесс, ускорить восстановление гидрологического режима, а также поддерживать биоразнообразие, в том числе вносит вклад в сохранение находящихся под угрозой мест обитания флоры и фауны, предотвращать зарастание типичных травяных ценозов кустарниками, а также приносит необходимые социальные выгоды, соответственно, и ликвидации пожароопасных участков возгорания.
Сущность изобретения - разработка способа управления запасами воды на обводнение выработанных торфяников, позволяющего эффективно использовать затопление выработанных торфяников, аккумулирование воды местного стока в виде талых снеговых, дождевых вод и из прудов путем их рационального распределения на выработанной площади и прилегающей к ней территории до отметок существующим до начала торфоразработок за счет дифференцированных барьеров, расположенных каскадом на магистральном канале и извилистыми каналами типа серпантин.
Технический результат - повышение эффективности использования местного стока, снижение стоимости строительства и улучшение экологической и пожароопасной обстановки на выработанной площади торфяника и прилегающих к нему территорий.
Технический результат достигается в способе управления дополнительными запасами воды на обводнение выработанных торфяников, заключающемся в создании использования воды с доступного источника, ее перемещение на затапливаемые участки выработанного торфяника, отличающемся тем, что создают условия для каскадного накопления аккумулирующих прудов, которые формируют выше по течению для затопления выработанных торфяников и снабжают последний пруд магистральным каналом вне зоны влияния выработанных торфяников, при этом магистральный канал выполняют аккумулирующими емкостями с барьерами, расположенными каскадом по направлению течения воды, и соединяют с двумя извилистыми каналами типа серпантин, которые располагают на участках выработанного торфяника, при этом верхняя кромка каналов расположена ниже расчетного уровня воды для затопления территории выработанных торфяников, извилистые каналы в конце снабжают затворами на входе в пруд-накопитель остаточной воды.
Кроме того, каскадные аккумулирующие пруды снабжают плотинами, выполненными из грунта и имеющими поверхностные водовыпуски.
Кроме того, барьеры с расположенными каскадами выполняют в виде подпорной стенки из облегченного материала, например дерево в виде водосливного порога из досок или плетеных прутьев кустарниковой растительности - ивняк, ольха.
Кроме того, или трассу извилистых каналов выполняют из экологически чистого материала в виде досок или плетеных прутьев ивняка, ольхи в виде частокола, при этом доски и/или плетеные прутья соединены между собой гибкими связями, и они прикреплены к сваям, выполненным в виде деревянных столбов, установленных по длине извилистых каналов через заданное расстояние, причем сваи пропущены с заглублением ниже глубины размыва основания грунта.
Каскад аккумулирующих прудов с использованием местного стока выше расположенных болот содержит как мелкие, так и крупные водосборные площади, из которых воды поступают от талых накопившихся в них снеговых, ливневых и дождевых осадков. Такое расположение позволяет собирать эти воды для аккумулирования в магистральный канал с расположенными аккумулирующими емкостями с барьерами, выполненными в виде каскадов с подпорными водосливными стенками, откуда вода местного накопленного стока может быть использована для затопления выработанных торфяников. При этом в случае их недостатка, можно использовать воды местного стока, аккумулированные в каскадных прудах в течение летнего периода.
Извилистые каналы непосредственно на самой площади выработанных торфяников с определенным расстоянием и выполненных из экологически чистого материала (доски, гибкие прутья древесно-кустарниковой растительности), формируют в извилистых каналах кривую подпора. Движение воды в этом случае обеспечивается геометрическим уклоном канала в пределах зоны подпора и конструктивными особенностями из экологически чистого местного материала, верхняя кромка которых расположена ниже расчетного уровня воды, т.е. не превышала высоту над поверхностью прилегающей земли и канал, имел длину площади выработанных торфяников до начала торфоразработок. Таким образом, происходит затопление всей расположенной вблизи водозатопляемой площади выработанных торфяников. Перераспределение воды происходит по всей длине извилистых каналов, выполненных с переливом через края (бровки). Извилистые безуклонные каналы разделяют выработанные торфяники по высотному их расположению, а все излишки воды постепенно собираются в конце в пруд-распределитель посредством регулируемых затворов, что позволяет также аккумулировать в них дополнительный объем вод местного стока, при этом пруд выполняют с заглублением в грунт с возможным применением противофильтрационных облицовок, что дополнительно позволит накапливать сбросные воды местного стока с вышерасположенных извилистых каналов. Таким образом, на каждом извилистом канале их высота складывается из максимальной проектной высоты слоя перелива и затопления площади выработанных торфяников, что заполняет эти площади до их первоначальной отметки для торфообразующих условий данного региона, и выращивания биомассы при образовании торфяных болот (т.е. болотное растениеводство с ольхой, мхами, папирусом, тростником, осокой и ивняком), что совместимо с вторичным заболачиванием, и даже могут в долгосрочной перспективе привести к накоплению торфа.
2
При расчете снижения выбросов учитываются не только сокращение сухой поверхности в результате вторичного заболачивания и соответствующие изменения объемов CO, но и изменения поверхности канав и соответствующих выбросов метана, а также снижение вероятности торфяных пожаров и связанных с ними выбросов (т.е. парниковых газов на торфяном болоте суммарно). Немаловажным остается вопрос в необходимости в сезонном регулировании местного стока в виде прудов-накопителей, в которых можно рассчитать объемы прудов-накопителей в случае временного недостатка воды в острозасушливые периоды с учетом их территориального расположения и величины, а это возможно только согласно предложенному новому техническому решению. В целом это связано с каскадом системы для затопления выработанных торфяников, последующим присутствием флоры и фауны, опасностью для предотвращения пожарной ситуации (т.е. имеет место искусственное увлажнение - заполнение водой). Такое взаиморасположение позволяет эффективно управлять затоплением выработанных торфяников их экологически чистых материалов (отсутствие применения бетона и металла), что не нарушает экологию природы на долгие годы. Подпорно-регулирующие сооружения на магистральном канале конструктивно представляют собой барьеры в виде подпорных стенок также из облегченного экологически чистого материала для каскадного исполнения по длине магистрального канала. Кроме того, пропуск избыточных паводковых вод собирают через затворы в общий пруд-распределитель с возможностью эффективно использовать воды местного стока, в случае их недостатка, которые могут использовать дополнительно с помощью насосных передвижных станций на вышерасположенные затопляемые торфяники в зависимости от погодных сезонных условий, т.е. возможна реализация технологии циклического (периодического) затопления торфяника.
В целом, порядок реализации одновременного накопления местного стока воды с затоплением выработанных торфяников будет зависть от технических характеристик всей системы: параметров каналов, их количества, гидравлических характеристик таких каналов с сооружениями и накопления с вышерасположенной водосборной площади вокруг различных по объему болот, зависящих талыми снеговыми и ливневыми водами на затопление выработанных торфяников.
Преимущество предлагаемой системы заключается в ее простоте, экономичности, соблюдении экологических требований к восстановлению болот и их растительности, относительной универсальности, т.е. вторично заболоченных торфяных почвах, которые также охватывает тот же спектр возможностей, как и производство биомассы на минеральных почвах. Следует отметить, что доля биотоплива в России для малой энергетики составляет всего 0,3%, хотя самым перспективным на данный момент видом возобновляемых источников энергии может быть использовано и для России до 4,5% (прогноз к 2020 году).
Система может служить, как временной, так и постоянной мерой по предотвращению пожароопасной ситуации болот, не требует дорогостоящих материалов, а также не требует энергозатрат, проста в эксплуатации.
Важный фактор - это рекультивация торфяных болот с гарантированным поддержанием нормального подпертого уровня воды, ускоряющей подготовку торфообразования до первоначальной его стадии.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого способа, что соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показана система управления дополнительными запасами вод, вид в плане; на фиг. 2 - магистральный канал с барьерами, вид в плане; на фиг. 3 - то же, продольный разрез; на фиг. 4 - плотины аккумулирующих прудов, продольный разрез.
Заявленный способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников, представляет собой конструктивно систему каскадного регулирования, включающую пруды 1 и 2 аккумулирующие воды местного стока, вытекающие из близлежащих болот (больших и малых по площади и объему) и снабженные плотинами 3 и 4, выполненными из грунта и имеющими поверхностный водовыпуск 5 с сифоном 6 и донный водосброс 7 с задвижкой 8. В верхней части плотины располагают резервный паводковый водосброс 9.
Магистральный канал 10 выполнен барьерами 11, расположенными каскадом по направлению течения воды, и соединен с двумя извилистыми каналами 12 и 13 (возможно и более) типа серпантин, которые в конце снабжают затворами 14 и 15 и связывают с прудом-распределителем 16 остаточной воды.
Барьеры 11 состоят из подпорной стенки 17 с осью вращения 18. Стенка 17 может быть выполнена из дерева в виде строганных досок или другого облегченного материала, и магистральный канал выполнен с аккумулирующими емкостями вне зоны влияния извилистых каналов 12 и 13, которые могут выполняться из досок или из плетеной кустарниковой растительности, например, из растущего ивняка или ольхи, верхнюю кромку стенок каналов 12 и 13 располагают ниже расчетного уровня воды на выработанных торфяниках, размещенными между участками извилистых каналов 12 и 13.
Способ управления дополнительными запасами воды на обводнение выработанных торфяников работает следующим образом.
Весной в период интенсивного притока воды с близлежащих болот происходит заполнение аккумулирующих прудов 1 и 2, когда запасы снега аккумулируются на территории близлежащих болот. Таким образом, талые снеговые и ливневые воды, образованные за счет стока вышерасположенного водосбора, собираются в пруды-накопители 1 и 2.
Выработанные торфяники, на которых размещают извилистые каналы 12 и 13 с использованием местного стока из прудов 1 и 2, подключены к магистральному каналу 10 барьерами 11, расположенных каскадом, также накапливают воду в виде аккумулирующих емкостей и формируют кривую подпора. Движение воды в этом случае обеспечивается геометрическим уклоном канала 10 с конструктивными особенностями подпорных Г-образных стенок 17 вне зоны извилистых каналов 12 и 13.
После прохождения через подпорные барьеры 11 сток поступает в извилистые каналы 12 и 13, наполняет их при закрытых затворах 14 и 15, далее вода переливается через бровки этих каналов и затапливает территорию выработанных торфяников до расчетного поднятия уровня в нем воды, и таким образом, поддерживая уровень воды на заданной отметке. При этом после затопления торфяников, открывают затворы 14 и 15, скорость потока в канале 10 несколько возрастает с барьерами 11 и вода поступает в пруд-распределитель 16 остаточной воды. Из последнего пруда вода вновь может подаваться, например, передвижной насосной станцией (не показано) в извилистые каналы 12 и 13 при закрытых затворах 14 и 15 на них. Таким образом, система таких каналов работает в двух режимах (прямая и обратная связь), в результате территория выработанного торфяника постоянно находится в затопленном состоянии, а это устраняет возможность и его возгорания.
В результате чего территория обводнения претерпит изменения: поднимется уровень грунтовых вод; в каскадах образуются запасы воды; при прохождении местного стока несколько снизятся и сдвинутся по времени их максимумы расходов за счет аккумуляции части объема стока; в меженные периоды, особенно в маловодные годы, часть местного стока будет задержана (и перераспределяться) на обводняемой территории; в маловодные периоды на обводняемых территориях будет исключена возможность возгорания торфяников.
Пример, территория Мещерской низменности (владимирская и Рязанская область) - умеренно-континентальная с холодной зимой и умеренно теплым, а иногда и жарким летом, т.е. лесная низкая заболоченная равнина, формировавшаяся в междуречье средних течений Оки и Клязьмы. Она располагает большими заторфованными массивами, часть которых выработана на топливо, но не рекультивирована. Осушение ведется недостаточно продуманно, в засушливые периоды года торфяник избыточно осушен.
Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что пожары на торфяниках очень опасны, особенно в жаркий период лета на осушенных выработанных торфяниках, которые могут возгораться в результате деятельности человека, а также самовозгораться. Решение проблемы пожарной безопасности должно быть комплексным, то есть надо строить такие системы, которые создают двухстороннее регулирование уровня грунтовых вод с помощью предложенного технического решения, обеспечивая тем самым противопожарную влажность торфяной залежи на уровне более 50% влажности. Здесь следует отметить, что дополнительно особую заботу нужно оказывать и грунтовым дорогам на торфяниках, создавая противопожарную минеральную подушку.
На основании этих подходов, преимущество предлагаемого способа заключается в его простоте, экономичности, относительной универсальности, обеспечивая как экологомелиоративную обстановку, так и, следовательно, предотвращения возможного возникновения пожара в засушливые периоды года. Регулирование водного режима обводняемой территории не требует энергозатрат, просто в эксплуатации для обводнения выработанных торфяников местным стоком, и не допускает переосушения торфяников, а также ускоряет восстановление животного мира на затапливаемых торфяниках. Кроме того, позволяет использовать технологию циклической (периодического) подачи запасов воды на обводнение, обеспечивая экологомелиоративную территорию, при этом можно устанавливать несколько водозаборов в ряд и пропускная способность сифонных водозаборов должна быть способной пропускать весь объем местного стока талых снеговых и дождевых вод. Совокупность признаков раскрытия сущности изобретения достаточна для его практической реализации при строительстве обводнения выработок торфяников.