Введение

Форма сельскохозяйственной дренажной системы

Дренаж с помощью труб – это форма сельскохозяйственной дренажной системы, предназначенная для удаления избыточной подповерхностной воды с полей, обеспечивая достаточное количество воздуха в почве, возможность нормальной обработки и доступ для тяжелой техники при уходе за посевами и их уборке. В то время как поверхностные воды можно отводить с помощью насосов, открытых канав или их комбинации, дренаж с помощью труб часто является наиболее эффективным способом осушения подземных вод. Название "дренаж с помощью труб" происходит от его первоначальной конструкции из керамических плиток из обожженной глины, которые были похожи на терракотовые трубы, но не всегда имели трубчатую форму. В XIX веке U-образную плитку обычно укладывали в виде арки на плоскую плитку, которую называли соответственно "чаша" и "подошва". Сегодня дренаж с помощью труб – это любая вариация этой оригинальной системы, работающая по тому же принципу. Обычно используются трубы из полиэтилена высокой плотности (HDPE) и поливинилхлорида (PVC), называемые "дренажными линиями", хотя до сих пор применяются и предварительно изготовленные бетонные и керамические плитки.

Типичные пути для сельскохозяйственного дренажа и иногда используемые пути для очистки и повторного использования

На рисунке показаны наиболее распространенные методы орошения, а также наименее используемые варианты обработки и повторного использования дренажных вод. Сбор обогащенной питательными веществами воды для орошения в резервуары и ее перекачка обратно на поля в периоды засухи – это доступная практика, которая набирает все большую популярность среди фермеров в штатах Айова, Индиана, Огайо, Иллинойс и Миннесота. В западных штатах США обычно более высокая соленость воды, и прямое повторное использование невозможно. Для приведения дренажных вод в состояние, пригодное для повторного использования, требуются передовые методы очистки, такие как обратный осмос.

Федеральные и государственные нормативные акты и руководящие принципы по утилизации сельскохозяйственных стоков

Переработка сельскохозяйственных дренажных вод является эффективным нетрадиционным методом преодоления дефицита воды в засушливых районах. В Соединенных Штатах, хотя Федеральный закон о контроле за загрязнением воды регулирует качество воды и загрязнение на национальном уровне, законы и правила повторного использования воды находятся в ведении штатов и местных органов власти. Повторное использование воды в сельском хозяйстве – быстрорастущая практика, особенно в засушливых штатах, таких как Техас, Невада, Аризона и Калифорния. Эти штаты приняли следующие законы для обеспечения соблюдения стандартов повторного использования воды в сельском хозяйстве. Совет по контролю водных ресурсов штата Калифорния в 2009 году представил Политику в отношении переработанной воды, которая предлагает планы управления солями и питательными веществами и решает проблему новых загрязнителей в рекультивированной воде. Калифорнийский водный кодекс регулирует переработку воды для орошения и благоустройства жилых территорий. В Аризоне Департамент водных ресурсов и Департамент экологического качества являются основными ведомствами, занимающимися переработкой воды. Раздел 18 Административного кодекса Аризоны регулирует выдачу разрешений и качество транспортировки рекультивированной воды. В Неваде Отдел водных ресурсов является главным органом, ответственным за законодательство о повторном использовании воды посредством Административного кодекса 445A.274–445A.280. В Техасе Административный кодекс, раздел 30, внедренный Комиссией Техаса по охране окружающей среды, регулирует повторное использование воды в сельскохозяйственных целях. Многие другие штаты, такие как Нью-Йорк и Коннектикут, не имеют нормативных актов, регулирующих переработку воды для сельскохозяйственных целей. Другие штаты, такие как Алабама, Джорджия и Гавайи, не дошли до этапа внедрения обязывающих общих руководящих принципов.

Стандарты качества оросительной воды

Для орошаемого сельского хозяйства требуется адекватное количество и приемлемое качество воды. Количество растворенных солей в воде является первостепенным фактором, определяющим ее пригодность для орошения. По мере накопления солей в почве, они удерживают воду, делая ее недоступной для сельскохозяйственных культур, что приводит к водному стрессу у растений. Согласно руководству по качеству воды Комитета консультантов Калифорнийского университета:

электрическая проводимость выше 3 дС/м считается критическим уровнем засоленности, приводящим к снижению урожайности. Нормальное соотношение поглощения натрия (SAR) должно находиться в диапазоне от 3 до 9 SAR. Общее количество растворенных веществ (TDS) – еще один фактор, влияющий на засоленность воды; растения испытывают серьезные ограничения роста при значении выше 2000 мг/л. Определенные ионы, присутствующие в оросительной воде, могут быть токсичными для растений при высоких концентрациях. Концентрация хлоридов не должна превышать 10 миллиэквивалентов на литр (мэкв/л) при поверхностном орошении. Бор является необходимым микроэлементом для растений, когда его концентрация в воде находится в пределах от 0,7 до 3,0 мг/л. Избыточное содержание азота токсично для сельскохозяйственных культур. Концентрация выше 30 мг/л может задержать созревание урожая и вызвать чрезмерный рост. Необходимо поддерживать адекватный уровень pH в диапазоне от 6,5 до 8,4. Содержание бикарбонатов в орошаемой воде не должно превышать 8,5 мэкв/л.

Применение

Корни большинства сельскохозяйственных культур нуждаются в достаточном количестве воздуха для нормального развития. Избыток воды в почве заполняет поры и препятствует росту, лишая корни кислорода, что приводит к загниванию корней и гибели растений. Дополнительная причина для осуществления подповерхностного дренажа – обеспечение достаточной уплотненности почвы для обработки и доступа тяжелой техники при уходе за посевами и уборке урожая.

Увеличение урожайности сельскохозяйственных культур

Большинство сельскохозяйственных культур требуют определенных условий влажности почвы и плохо растут в сырой, заболоченной почве. Даже в почве, не являющейся заболоченной, корни большинства растений растут не глубже уровня грунтовых вод. В начале вегетационного периода, когда воды достаточно, растения небольшие и не нуждаются в большом количестве воды. В это время растениям не требуется развивать корни для доступа к воде. По мере роста растений и увеличения потребления воды, вода становится все более дефицитной. В это время уровень грунтовых вод начинает понижаться. Растениям тогда необходимо развивать корни, чтобы достичь воды. В периоды засухи уровень грунтовых вод может падать быстрее, чем скорость роста корней, что может серьезно ослабить растения. Установка дренажных труб эффективно понижает уровень грунтовых вод, позволяя растениям правильно развивать корневую систему. Отсутствие переувлажнения почвы обеспечивает доступ кислорода к порам почвы для питания корней. Дренажные трубы предотвращают попадание корней под уровень грунтовых вод во влажные периоды, что может вызвать стресс у растений. Удаляя избыточную воду, растения более эффективно используют воду, доступную их корням. Увеличение урожайности можно объяснить тем, что растения вынуждены развивать больше корней для поглощения большего количества питательных веществ и воды. Тот же принцип работает и в горшках с домашними растениями: дренажные отверстия в дне удаляют избыток воды из субстрата, чтобы воздух мог заполнить его поры и стать доступным корням, которые, при длительном лишении воздуха из-за переувлажнения субстрата, гниют и погибают. Установка дренажных труб в поле в виде сетки обеспечивает тот же эффект для поля площадью в несколько сотен акров.

Водопроводные работы канализационной плитки

В системе дренажа с использованием дренажных труб под поверхностью сельскохозяйственных полей устанавливается своего рода "подземный водопровод", который фактически представляет собой сеть подземных труб, позволяющих грунтовым водам отходить от почвенных частиц и поступать в дренажную линию. Вода, протекающая по дренажным линиям, часто в конечном итоге сбрасывается в поверхностные водоемы – озера, ручьи и реки, расположенные ниже по рельефу, чем место источника. Вода поступает в дренажную линию либо через зазоры между секциями труб в старых конструкциях, либо через небольшие отверстия в современных пластиковых трубах. Для установки труб или дренажной линии могут использоваться траншеекопатели (Ditch Witch), плуги-моли, экскаваторы или другое тяжелое оборудование. Тип почвы существенно влияет на эффективность дренажных систем и определяет, насколько необходимо покрыть территорию дренажными трубами для обеспечения достаточного дренажа. Песчаные почвы нуждаются в небольшом или вообще не нуждаются в дополнительном дренаже, в то время как почвы с высоким содержанием глины удерживают воду более прочно, что требует более плотной прокладки дренажных линий.

Содержание

Корни деревьев из живых изгородей и лесозащитных полос естественным образом тянутся к благоприятным условиям увлажнения, которые обеспечивают дренажные трубы или дренажные линии соседних полей. Гидротропизм играет свою роль, так как корневые волоски на динамически исследующих концах корней деревьев по-разному реагируют на более влажные щели по сравнению с сухими, обмениваясь гормональными сигналами с остальной частью дерева, которые стимулируют их к концентрации на продвижении в такие благоприятные места. В отверстиях дренажных труб, равно как и в трещинах или ржавчине водопроводных и канализационных линий под городскими улицами, эти корни находят идеальное сочетание точки входа и обильного водоснабжения за ней. В результате в любой из этих трубопроводных систем периодически возникают засоры, которые необходимо устранять с помощью змеевика, змеевика с роторным резаком, выборочной выкопки и вытягивания, а также подобных методов. В некоторых регионах фермерам требуется постоянное обслуживание дренажных линий для поддержания их проходимости и правильной работы, с проведением хотя бы частичной очистки ежегодно в той или иной части системы.

История

Древнеримские авторы Катон Старший и Плиний Старший описали системы дренажа с помощью керамических труб в 200 году до н.э. и в первом веке н.э. соответственно. Согласно данным фермы Johnston, дренаж с помощью керамических труб впервые был внедрен в Соединенных Штатах в 1838 году, когда Джон Джонстон применил этот метод, знакомый ему по родной Шотландии, на своей новой ферме в округе Сенека, штат Нью-Йорк. Джонстон проложил 116 километров (72 мили) глиняных труб, что позволило увеличить урожайность пшеницы с 12 бушелей на акр до 60. Джонстон, которого называли "отцом дренажа с помощью керамических труб в Америке", на протяжении всей жизни активно пропагандировал эту систему, объясняя свой сельскохозяйственный успех формулой "D, C и D", то есть навоз, кредит и дренаж. Расширение дренажных систем было важным техническим аспектом освоения Запада в Соединенных Штатах в XIX веке. Хотя земли в Соединенных Штатах были распределены в соответствии с системой земельного кадастра, установленной Актом о земле 1785 года, развитие, особенно сельскохозяйственных земель, часто ограничивалось скоростью приведения земель в состояние, пригодное для обработки. Например, хотя Айова вошла в состав Соединенных Штатов в 1846 году, карты, отображающие собственность на землю, показывали ниже среднего уровня плотность населения в северо-западном регионе Айовы еще в 1870-х годах, что объяснялось высоким уровнем грунтовых вод и обилием озер и болот. Западные штаты сталкивались с аналогичными ограничениями в отношении интенсификации сельского хозяйства. Многие штаты предлагали государственные стимулы для улучшения земель сельскохозяйственного назначения. Например, законодательство в Индиане послужило основанием для принятия федерального закона в 1850 году, который предусматривал продажу заболоченных земель фермерам со скидкой при условии их осушения и улучшения для повышения сельскохозяйственной продуктивности. Для содействия такому улучшению большинство штатов создали государственные органы для регулирования установки дренажных систем. Даже в настоящее время местные выборы в более сельских штатах часто включают избрание членов советов по надзору за дренажом; например, в Мичигане комиссар по дренажу округа по-прежнему избирается всенародным голосованием. В десятилетиях, последовавших за Гражданской войной в США, дренажные системы быстро расширялись. Например, исторические источники из Огайо свидетельствуют о том, что в 1882 году площадь осушенных земель была примерно равна площади, осушенной за все предыдущие годы. В 1930-х годах Гражданский корпус охраны природы расширил системы дренажа с помощью керамических труб по всему Среднему Западу, и большая часть этих систем до сих пор используется.

Достижения в технологиях дренажа

До окончания Второй мировой войны технология укладки дренажных труб оставалась схожей с методами, впервые применёнными в 1838 году. Хотя цементные секции впоследствии заменили первоначальные глиняные трубы, а для прокладки траншей стали использовать машины, процесс оставался весьма трудоёмким и выполнялся специализированными подрядчиками. Внедрение пластиковых труб позволило снизить как стоимость укладки, так и объём необходимых трудозатрат. Вместо того, чтобы укладывать отдельные секции цементных труб в траншею, укладчикам приходилось лишь разматывать сплошной отрезок лёгких и гибких труб. К концу двадцатого века, с распространением на американских фермах крупных тракторов с полным приводом, на рынке появились инструменты для самостоятельной укладки дренажных труб. Сделав укладку более доступной и позволяя выполнять её по графику землевладельца, фермеры получили возможность осушать локальные заболоченные участки, которые, возможно, не представляли достаточной проблемы, чтобы оправдать более дорогостоящие работы. Таким образом, фермеры могут повысить урожайность и сэкономить на капитальных затратах на укладку дренажа. Пожалуй, самым полезным инструментом в истории дренажа была землеройная машина "Buckeye Traction Ditcher" Джеймса Б. Хилла, которая позволяла укладывать дренажные трубы с рекордной скоростью. Машина Хилла осушила Великое Чёрное Болото в Огайо, обширные территории Луизианы и болотистые земли Флориды.

Социальные и экологические последствия дренажа плитки

Расширение дренажных систем оказало огромное негативное воздействие на экологию. Сотни тысяч видов водно-болотных угодий испытали значительное сокращение популяций, поскольку их среда обитания все больше фрагментировалась и преобразовывалась для других целей. Хотя рыночная охота в пределах Центрального перелетного пути была одним из факторов, способствовавших сокращению численности многих видов водоплавающих птиц в первые десятилетия двадцатого века, потеря мест размножения из-за расширения сельскохозяйственных угодий, безусловно, является наиболее значительной причиной. На ранних картах среднезападных штатов изображены многочисленные озера и болота, которых сегодня либо не существует, либо их площадь значительно уменьшилась. Канализация, тесно связанный процесс концентрации и облегчения стока воды с сельскохозяйственных территорий, также способствовал этой деградации. Плиточный дренаж и соответствующие изменения ландшафта – осушение водно-болотных угодий, влажных почв и выпрямление ручьев – привели к усилению эрозии рек. Такая реакция рек на дренаж обусловлена сокращением времени удержания воды в ландшафте. Например, осадки ранее задерживались в водно-болотных угодьях и на поверхности почв, непрерывно испаряясь или потребляясь растениями посредством транспирации. Вода медленно просачивалась через ландшафт и в конечном итоге стекала в реки. Процесс плиточного дренажа, используемый для быстрой и эффективной сушки почвы, обеспечивает эффективный отток воды в реки – настолько эффективный, что в реки поступает больший объем воды. Увеличение объема воды означает увеличение энергии воды, и динамическое равновесие, в котором реки существовали на протяжении веков (медленно меняя форму и непрерывно транспортируя ограниченное количество наносов), было и остается нарушенным. Результатом этой потери равновесия является экстремальная эрозия берегов, приводящая к чрезмерному поступлению наносов и серьезному воздействию на природные среды и речные местообитания. Плиточный дренаж иногда уменьшает эрозию почвы и сток некоторых питательных веществ, включая фосфор. Фосфор – важное питательное вещество, контроль которого необходим, поскольку он является лимитирующим питательным веществом в большинстве водных экосистем. Таким образом, фосфор является основной причиной эвтрофикации поверхностных вод; однако другое лимитирующее питательное вещество, азот, также наносит значительный ущерб водным ресурсам. Например, азот был связан с гипоксией в Мексиканском заливе. Плиточный дренаж иногда улучшает качество воды, поскольку вода просачивается в землю, а затем в дренажную систему, вместо того чтобы стекать с поля в канаву, унося с собой почву и питательные вещества. Почва успевает фильтровать воду, прежде чем она попадет в ручьи и реки. Однако, обходя поверхностные методы улучшения, такие как почвозащитное земледелие или прибрежные буферные зоны, плиточный дренаж также может создавать проблемы с качеством воды, а сток из плиточного дренажа, как правило, чрезвычайно богат азотом. Кроме того, в некоторых дренажных плитах иногда содержится очень высокий уровень других химических веществ. Поскольку поверхностные методы консервативного земледелия менее эффективны в системах с плиточным дренажом, другие методы, такие как контролируемый дренаж или искусственные водно-болотные угодья, могут быть более эффективными. На очень ровных участках, где естественный рельеф не обеспечивает необходимого уклона для стока воды, могут быть вырыты «сельскохозяйственные скважины», чтобы обеспечить достаточный отвод для дренажных линий. В этих случаях именно грунтовые воды подвергаются риску загрязнения нефильтрованным стоком из дренажных плит. Интенсивные животноводческие комплексы (ИЖК) / концентрированные животноводческие фермы (КЖФ) создали проблемы с утилизацией животноводческих отходов. Животноводческие отходы содержат ценные питательные вещества, но неправильное применение этих материалов может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как перегрузка питательными веществами. Одним из методов, используемых для улучшения усвоения питательных веществ, является непосредственный ввод отходов в почву. Плиточный дренаж может увеличить просачивание введенных навоза в поверхностные водоемы из-за внесения навоза, поскольку жидкий навоз просачивается через почву, а затем вытекает из поля и в водоемы через дренажные плиты. В настоящее время действует ряд государственных и федеральных инициатив, направленных на восстановление утраченных местообитаний. Многие программы поощряют и даже возмещают фермерам расходы на прекращение дренажа локальных низин на их земле, часто путем разрушения входных отверстий дренажных плит или полного удаления плит. Владельцам земли часто частично или полностью компенсируются убытки от отказа от возможности выращивать сельскохозяйственные культуры на этой земле. Такие программы и сотрудничество землевладельцев по всей стране оказали значительное положительное влияние на популяции различных видов водоплавающих птиц.