Современные методы борьбы с фильтрацией на оросительных системах

Современные методы борьбы с фильтрацией на оросительных

системах

Ю.М. Косиченко1, О.А. Баев1, А. В. Ищенко2

1 Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск

2Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А. К. Кортунова,

Новочеркасск

Аннотация: В статье приводятся данные о коэффициенте полезного действия (КПД) существующих оросительных систем, данные по потерям из каналов оросительных систем и распределению их на фильтрацию. Рассматриваются последствия, возникающие при снижении КПД и как следствие, фильтрации воды из каналов оросительных систем. Приводится ряд мероприятий по снижению потерь воды на фильтрацию из оросительных каналов, включающих: эксплуатационные, инженерные и конструктивные мероприятия.

Для повышения эффективности и надежности каналов оросительных систем, предлагается обобщенный комплекс современных мероприятий, рекомендаций и технических решений по снижению потерь воды на фильтрацию.

Ключевые слова: фильтрация, оросительная система, коэффициент полезного действия, противофильтрационные мероприятия, покрытия, облицовки, экраны, геосинтетические материалы.

Существующие оросительные системы построены в основном в земляном русле и только около 15-20 % общей длины каналов оборудовано противофильтрационными облицовками, что приводит к большим потерям на фильтрацию и снижению их коэффициента полезного действия (КПД) при эксплуатации. При этом КПД большинства оросительных систем в настоящее время не превышает 0,85-0,87, то есть около 25-30 % всей воды, транспортируемой от водозабора до орошаемого поля, теряется на фильтрацию из оросительных каналов.

При низких КПД оросительных систем появляется необходимость увеличивать забор воды с водоисточника, а, следовательно, увеличивать размеры каналов и гидротехнических сооружений [1].

По данным ФГБНУ «РосНИИПМ» среднее значение КПД каналов оросительных систем в земляном русле составляет 0,821, а КПД ряда каналов в облицовке с пленочными экранами в Ростовской области, Ставропольском

крае и других регионах не превышает 0,85-0,86 [2]. Эти данные свидетельствуют о низкой гидравлической эффективности и больших потерях не только на каналах в земляном русле, но и на каналах с противофильтрационными покрытиями, которые превышают допускаемые значения СП 81.13330.2012 на 5-8 % [3].

Если общие потери на системе принять за 100 % , то они распределяются следующим образом (рисунок 1): потери на фильтрацию -70-75 %, потери на испарение - 3-5 %, технические потери - 20-25 %.

70-75 %

Рис. 1. - Общие потери на оросительной системе

На оросительной сети общие фильтрационные потери воды распределяются примерно так (рисунок 2) [4]:

- в магистральных каналах (МК), их ветвях, в межхозяйственных распределителях теряется около 30-35 %;

- во внутрихозяйственной оросительной сети (ОС) - от 50-55 %;

- во временных оросителях (ВО) - до 10 % [1].

Рис. 2. - Общие фильтрационные потери на оросительной системе

Так, при фильтрации из каналов (рисунок 3) происходят непроизводительные потери воды, подъем уровня грунтовых вод, подтопление и заболачивание территорий, вторичное засоление почв, а также создание аварийных ситуаций [2].

Рис. 3. - Последствия фильтрации из оросительных каналов

Для борьбы с фильтрацией из каналов оросительных систем в 80 годах прошлого столетия использовались различные противофильтрационные мероприятия: уплотнение, оглеение, кольматация глинистыми частицами и бентонитом, битумизация и цементация, воздействие химических кольматирующих веществ, а также устройство различного типа облицовок (грунтовых, бетонных, асфальтовых, каменных, кирпичных, грунтоцементных, пленочных и других) [5, 6].

Однако, несмотря на большое разнообразие существующих противофильтрационных мероприятий и различного типа облицовок, потери воды от фильтрации в оросительных системах остаются еще значительными.

В связи с этим, необходима разработка высоконадежных конструкций противофильтрационных облицовок [7, 8] оросительных каналов нового поколения, с применением геосинтетических материалов.

К таким материалам можно отнести различные геосинтетические материалы (рисунок 4): геомембраны, геотекстили, геокомпозиты, георешетки, геосетки, бентоматы, габионы, которые в различном сочетании позволяют создать противофильтрационные конструкции и способы их укладки, практически полностью исключающие потери на фильтрацию и обеспечивающие повышение КПД каналов оросительных систем до 0,97-0,98

[9].

В таблице 1 представлены основные типы противофильтрационных облицовок оросительных каналов с использованием современных геосинтетических материалов [10], их ориентировочная средняя стоимость (с учетом средней стоимости работ по устройству противофильтрационного экрана), а также показатели долговечности и водонепроницаемости той или иной конструкции.

Таблица № 1

Типы противофильтрационных покрытий оросительных каналов с использованием геосинтетических материалов___

Тип экрана Ориентиров Показат Показател

очная ель ь

(средняя) долгове водонепро

стоимость, чности, ницаемост

руб./м2 лет и, см/с

Поверхностный (из полимерной геомембраны) 243 25-50 10-7-10-8

Поверхностный (из бентонитовых 568 50-70 10-8-10-9

матов)

С геомембраной и защитным 288 > 75 10-8-10-9

покрытием из грунта

С геомембраной и защитным 355 50-75 10-8-10-9

покрытием из бетона

С бентоматами и защитным 613 75-100 10-9-10-ш

покрытием из грунта

С бентоматами и защитным 682 > 100 10-10-10-11

покрытием из бетона

Комбинированные экраны [10] (включающие два и более п/ф > 850 > 100 10-12-10-14

элемента ир геосинтетических

материалов)

Примечание: Цены на геосинтетические материалы приведены в соответствии с прайс-листом компании «Центр дорожных технологий»

Бентоматы - это современный, высокоэффективный, композитный гидроизоляционный материал на основе геосинтетики и природной бентонитовой глины. Данный материал находит все большее

распространение в качестве противофильтрационных покрытий оросительных каналов в России.

Конструкция противофильтрационого покрытия оросительных каналов с применением бентонитовых матов и защитным покрытием из каменной наброски представлена на рисунке 4.

1

Рис. 4 - Конструкция противофильтрационного покрытия оросительных

каналов с применением бентоматов

Следует отметить, что приведенная на рисунке 4 конструкция противофильтрационного покрытия применялась в условиях пониженных температур и повышенной влажности (инфильтрация грунтовых вод в канал) при реконструкции участка Донского магистрального канала (ДМК) в Ростовской области [11].

Для повышения эффективности и надежности оросительных каналов, предлагается комплекс противофильтрационных мероприятий и практических рекомендаций, включающих эксплуатационные, инженерные и конструктивные мероприятия [12 - 15] (таблица 2).

Таблица № 2

Комплекс мероприятий по повышению эффективности и надежности

на оросительных каналах

Наименование мероприятий Эффективность мероприятия

1 2

Эксплуатационные мероприятия

Правильная организация и проведение внутрихозяйственных Экономия водных ресурсов на 15-20 %;

планов водопользования и системных планов водораспределения увеличение урожайности с/х культур

Рациональное распределение оросительной воды Оптимизация использования водных ресурсов на 5-10 %

£ Инженерный вестник Дона. №3 (2014) ВЦ ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2014/2793

Продолжение таблицы 1

1 2

Своевременное проведение работ по ремонту и уходу за каналами, ГТС на системах и поддержание их в технически исправном состоянии Снижение потерь воды при транспортировке от водозабора до орошаемого поля; предотвращение вторичного засоления и заболачивания

Правильная эксплуатация каналов, недопущение работы их при форсированных уровнях и подпорах Снижение потерь воды при транспортировке

Бесперебойная и длительная работа канала Снижение потерь на фильтрацию в 10-15 раз

Инженерные мероприятия

Рациональное проектирование поперечного сечения каналов Снижение потерь на фильтрацию

Ремонт швов различными герметиками (например, жидкой резиной) Водонепроницаемость, хорошая адгезия с бетоном; простота применения

Использование бентонитового жгута на стыках бетонных облицовок Повышение долговечности и качества герметизации стыковых соединений

Конструктивные мероприятия

Применение полимерных геомембан Повышение водонепроницаемости в 1,5-2,0 раза; долговечности до 50-75 лет; снижение шероховатости

Применение бентоматов Регенерация повреждений при гидратации материала; не требуется постоянный контроль сплошности; повышение срока службы до 75-100 лет

Применение геокомпозитных материалов Полная водонепроницаемость, не ограниченный срок службы

Применение защитных прокладок из геотекстиля Снижение повреждаемости геомембраны в 10-12 раз; использование в качестве дренирующего слоя

Применение георешетки Возможность устройства покрытий на просадочных грунтах и на крутых склонах

Использование матрацно-тюфячных габионов Ликвидация аварий на каналах за счет укрепления откосов; закрепление полотнищ материала на бровках

Применение жидких полимеров Отсутствие земляных работ; закрепление поверхности и снижение потерь на фильтрацию

Применение ионных стабилизаторов для закрепления грунта Увеличение прочности грунта

Проведение предлагаемого комплекса мероприятий позволит повысить гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность оросительных каналов в среднем на 20-30 %, увеличить их КПД на 3-5 % и довести до нормативных значений (0,93-0,95 - для земляных русел; 0,95-0,98 - для облицованных каналов).

Кроме того, для повышения КПД в работе [7] разработаны высоконадежные конструкции противофильтрационных облицовок каналов, которые по своим эксплуатационным качествам превосходят отечественные

2 4

аналоги: по показателям водонепроницаемости в 102-104 раз, по показателям долговечности в 2-4 раза, а зарубежные аналоги: по водонепроницаемости - в 1,5-2 раза, по долговечности на 10-15 % (таблица 4) [16].

Таблица № 4

Сравнительные характеристики разработанных конструкций облицовок каналов [16] и существующих отечественных и зарубежных аналогов

Разработанные Существующие аналоги

высоконадежн Грунтопленоч Покрытия Покрытия из

Сравнитель ые ные и из геосинтетиче

ные конструкции бетонопленочн геосинтетич ских

характерист п/ф экранов ые покрытия еских материалов

ики для (компания материалов (компания

оросительных «Техполимер» (компания «КАШ»,

каналов - Россия «Carpi» - Германия)

Швейцария)

Показатель 10-9-10-11 10-6 10-9 5-10-10

водонепрон

ицаемости

к'обл., см/с

Показатель 75-100 25-50 65-90 50-75

долговечно

сти, Т, лет

На основании вышеизложенного можно выделить наиболее важные задачи для борьбы с фильтрацией из каналов оросительных систем и повышению их КПД:

- применение противофильтрационных устройств в виде облицовок и экранов, практически исключающих фильтрацию и позволяющие экономить водные ресурсы до 20-30 %;

- своевременное проведение работ по ремонту и уходу за каналами, и другим оборудованием на оросительных системах и поддержание их в технически исправном состоянии;

- применение жидких полимеров (жидкой резины, закрепителей и ионизаторов поверхности), а также бентонитового жгута для ремонта бетонных поверхностей и стыковых соединений облицовок;

Литература:

1. Offengenden C.P. Lining for irrigation canals. Washington: United States Government printing office, 1963. pp. 15-65.

2. Косиченко Ю.М. Исследования в области борьбы с фильтрацией и эксплуатационной надежности грунтовых гидротехнических сооружений. Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. № 2(06). 9 с. URL: rosniipm-sm.ru/archive?n=100&id=108.

3. Мелиоративные системы и сооружения: СП 81.13330.2012: утв. приказом Минрегион России 29.12.11 г. № 635/2: введ. в действие с 01.01.13. М.: Минрегион России, 2012. 138 с.

4. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г. В., Рыбкин В. Н. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем. Коломна, 2006. 391 с.

5. Косиченко Ю.М. Гидравлическая эффективность и экологическая надежность облицованных каналов // Гидротехническое строительство, 1992. №12. С. 12-17.

6. Ищенко А.В. Повышение эффективности и надежности противофильтрационных облицовок оросительных каналов: монография. Изв.вуз. Сев.- Кавк. регион. техн. науки. 2006. 211 с.

7. Косиченко Ю.М., Баев О.А. Высоконадежные конструкции противофильтрационных покрытий каналов и водоемов, критерии их эффективности и надежности // Гидротехническое строительство. 2014. № 8, с. 18-25.

8. Пат. 2523499 Российская Федерация, МПК E 02 B 3/16. Способ создания противофильтрационного покрытия с бентоматами на просадочных грунтах / Ищенко А.В., Косиченко Ю.М., Скляренко Е.О., Баев О.А. Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО НГМА. № 2012128393/13; заявл. 05.07.2012; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 20. 6 c.

9. Косиченко Ю.М. Исследования фильтрационных потерь из каналов оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 6. С. 24-25.

10.Баев О.А. Изучение особенностей конструкций противофильтрационных экранов каналов и прудов-накопитилей / О.А. Баев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. № 3 (15).16 с. URL: rosniipm-sm.ru/archive?n=273&id=283.

11.Перелыгин А. И., Белов А. В. Об эксплуатации крупных каналов в условиях реконструкции // Гидротехника № 2 (35), 2014. С. 50-51.

12.Бандурин М. А. Совершенствование методов продления жизненного цикла технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений // Инженерный вестник дона, 2013, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1510.

13.Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений / Инженерный вестник Дона 2012 № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/861.

14.Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Колганов А.В. Эксплуатационная надежность оросительных систем. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2004. 388 с.

15.Косиченко Ю.М., Ковчу Ю.И., Косиченко М.Ю. Вероятностная модель эксплуатационной надежности крупных каналов//Гидротехническое строительство, 2007, №12, с.39-45.

16.Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Ищенко А.В., Баев О.А.

Высоконадежные конструкции противофильтрационных облицовок каналов и водоемов с применением инновационных материалов // (депон. рукопись) ФГБНУ «РосНИИПМ». Новочеркасск, 2013. Рус. Деп. В ВИНИТИ 13.01.2014, № 7-В 2014. 27 с.

References

1. Offengenden, C.P. Lining for irrigation canals. Washington: United States Government printing office, 1963.pp.15-65.

2. Kosichenko Yu.M. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioratsii. Novocherkassk: RosNIIPM, 2012. № 2(06). 9 p. URL: rosniipm-sm.ru/archive?n=100&id=108.

3. Meliorativnye sistemy i sooruzheniya [Drainage systems and facilities]. SP 81.13330.2012: utv. prikazom Minregion Rossii 29.12.11 g. № 635/2: vved. v deystvie s 01.01.13. M.: Minregion Rossii, 2012. 138 p.

4. Ol'garenko V.I., Ol'garenko G. V., Rybkin V. N. Ekspluatatsiya i monitoring meliorativnykh system [Operation and monitoring of land reclamation systems]. Kolomna, 2006. 391 s.

5. Kosichenko Yu. M. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo. 1992. № 12. pp. 12-17.

6. Ishchenko, A. V. Povyshenie effektivnosti i nadezhnosti protivo-fil'tratsionnykh oblitsovok orositel'nykh kanalov: monografiya [Improving the efficiency and reliability of anti facing irrigation canals] Izv.vuz. Sev. - Kavk. region. tekhn. nauki. 2006. 211 p.

7. Kosichenko Yu. M., Baev O. A. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo. 2014. № 8. pp. 18-25.

8. Pat. 2523499 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E 02 B 3/16. Sposob sozdaniya protivofil'tratsionnogo pokrytiya s bentomatami na prosadochnykh gruntakh / Ishchenko A.V., Kosichenko Yu.M., Sklyarenko E.O., Baev O.A. Zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO NGMA. № 2012128393/13; zayavl. 05.07.2012; opubl. 10.01.2014, Byul. № 20. 6 p.

9. Kosichenko Yu.M. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo. 2006. № 6. pp. 2425.

10.Baev, O.A. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioratsii / Elektron. zhurn. Novocherkassk: RosNIIPM, 2014. № 3 (15).16 p. URL: rosniipm-sm.ru/archive?n=273&id=283.

11.Perelygin, A. I., Belov A. V. Gidrotekhnika № 2 (35), 2014. S. 50-51.

12.Bandurin M. A. Inzhenernyy vestnik dona, 2013, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1510.

13.Bandurin M.A. Inzhenernyy vestnik Dona 2012 № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/861.

14.Shchedrin V.N., Kosichenko Yu.M., Kolganov A.V. Ekspluatatsionnaya nadezhnost' orositel'nykh system [The operational reliability of irrigation systems]. Rostov n/D: Izd-vo SKNTs VSh, 2004. 388 p.

15.Kosichenko Yu.M., Kovchu Yu.I., Kosichenko M.Yu. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo, 2007, №12, pp.39-45.

16.Shchedrin V.N., Kosichenko Yu.M., Ishchenko A.V., Baev O.A.

Vysokonadezhnye konstruktsii protivofil'tratsionnykh oblitsovok kanalov i vodoemov s primeneniem innovatsionnykh materialov [Highly reliable designs of antifiltrational facings of channels and reservoirs with use of innovative materials].(depon. rukopis') FGBNU «RosNIIPM». Novocherkassk, 2013. Rus. Dep. V VINITI 13.01.2014, № 7-V 2014. 27 p.