Плиточный дренаж

Плиточный дренаж — это форма сельскохозяйственной дренажной системы , которая удаляет излишки подповерхностных вод с полей, обеспечивая достаточное воздушное пространство внутри почвы, правильную обработку почвы и доступ тяжелой техники для ухода и сбора урожая. Хотя поверхностные воды можно отводить с помощью насосов, открытых канав или того и другого, дренаж плитки часто является наиболее эффективным средством отвода подземных вод.

Фраза «плитка дренажная» происходит от ее первоначального состава из керамических плиток из обожженной глины , которые были похожи на терракотовые трубы, но не всегда имели форму труб. В 19 веке канальная плитка С-образной формы обычно размещалась в виде арки на плоской плитке и называлась «кружка» и «подошва» соответственно. Сегодня плиточный дренаж – это любая вариация этой оригинальной системы, функционирующая в том же режиме. из ПЭВП и ПВХ трубы Обычно используются , называемые «плиточными линиями», хотя сборный железобетон и керамическая плитка все еще используются.

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

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

На рисунке показаны наиболее используемые методы орошения, а также наименее используемые варианты очистки и повторного использования дренажных вод. Сбор богатой питательными веществами оросительной воды в резервуарах и перекачка ее обратно на поля в периоды засухи является доступной практикой, которая приобретает все большую популярность среди фермеров в таких штатах, как Айова, Индиана, Огайо, Иллинойс и Миннесота. В западных штатах США соленость воды обычно выше, и прямая переработка не является жизнеспособным вариантом. Чтобы сделать дренаж пригодным для повторного использования, необходимы передовые методы очистки, такие как обратный осмос.

Виды дренажных систем

Фермеры используют два типа дренажных систем:

• Поверхностный дренаж: обеспечивается канавами и сохранением естественных каналов, позволяющих воде двигаться вниз под действием силы тяжести.
• Подземный дренаж: построен путем закапывания труб под землю для удаления лишней воды из профиля почвы.

Подпочвенный дренаж широко используется фермерами. Он имеет множество преимуществ:

• Это повышает влажность почвы и приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
• Он останавливает накопление солей и дает фермерам больше возможностей для выращивания различных видов культур.
• Это уменьшает накопление отложений на поверхности поля, что снижает концентрацию фосфора.

Для контроля дренажа обычно используются два метода:

• Добавление таких конструкций, как стояки с накладными бортами, в выпускных каналах для контроля времени пребывания оросительной воды в корневой зоне: когда эти конструкции удаляются, подземный дренаж происходит быстрее, и количество воды в канавах уменьшается. Этот метод позволяет не только контролировать уровень воды на полях, но также позволяет максимально хранить воду на поле для использования сельскохозяйственными культурами.
• Более совершенная форма регулирующего дренажа состоит из подземных водосточных труб, соединенных с коллекторной трубой, которая сбрасывает стоки в регулирующие резервуары. Эти резервуары называются системами восстановления нижних вод. Они сохраняют стоки и перекачивают их обратно для орошения полей. Они действуют как биофильтры и удаляют различные типы загрязнений, включая бактерии, питательные вещества и пестициды, из сельскохозяйственных стоков.

Федеральные и государственные правила и рекомендации по переработке сельскохозяйственного дренажа

Переработка дренажных вод сельскохозяйственного назначения является эффективным нетрадиционным методом преодоления нехватки 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. Использование очищенной воды в сельском хозяйстве становится все более распространенной практикой, 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.

• В 2009 году Совет по контролю за водными ресурсами штата Калифорния представил Политику оборотного водоснабжения, в которой предлагаются планы управления солью и питательными веществами, а также рассматриваются вызывающие растущую озабоченность загрязняющие вещества в оборотной воде. Водный кодекс Калифорнии регулирует повторное использование воды для орошения и благоустройства жилых территорий.
• В Аризоне Департамент водных ресурсов и Департамент качества окружающей среды являются основными департаментами, занимающимися переработкой воды. Раздел 18 Административного кодекса Аризоны регулирует выдачу разрешений и качество транспортировки оборотной воды.
• В Неваде Отдел водных ресурсов является основным органом, отвечающим за законодательство о повторном использовании воды в соответствии с Административным кодексом с 445A.274 по 445A.280.
• В Техасе Административный кодекс (раздел 30), введенный Техасской комиссией по качеству окружающей среды, регулирует повторное использование воды в сельскохозяйственных целях.
• Во многих других штатах, таких как Нью-Йорк и Коннектикут, нет никаких правил, регулирующих повторное использование воды в сельскохозяйственных целях. Другие штаты, такие как Алабама, Джорджия и Гавайи, не прошли этап внедрения общих руководящих принципов, подлежащих исполнению.

Стандарты качества оросительной воды

Орошаемое земледелие зависит от достаточного количества и приемлемого качества.

Количество растворенной соли в воде является основным фактором, определяющим ее пригодность для орошения. По мере того, как соль накапливается в почве, она удерживает воду и делает ее недоступной для сельскохозяйственных культур, что приводит к водному дефициту растений. Согласно Руководству по качеству воды Консультативного комитета Калифорнийского университета:

• электропроводность более 3 дСм/м считается серьезным уровнем засоления, который может привести к снижению урожайности.
• Нормальный коэффициент адсорбции натрия (SAR) должен находиться в диапазоне от 3 до 9 SAR.
• Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) является еще одним фактором, который способствует солености воды. Растения сталкиваются с серьезными ограничениями роста, когда значение превышает 2000 мг/л.
• Определенные ионы, присутствующие в оросительной воде, могут быть токсичными для растений в высоких концентрациях. Концентрация хлоридов не должна превышать 10 миллиэквивалентов на литр (мЭ/л) при поверхностном орошении.
• Бор является важным микроэлементом для растений, когда его концентрация в воде колеблется от 0,7 до 3,0 мг/л.
• Чрезмерное присутствие азота токсично для сельскохозяйственных культур. Концентрация более 30 мг/л может задержать созревание урожая и привести к его чрезмерному разрастанию.
• Адекватный уровень pH следует поддерживать в диапазоне от 6,5 до 8,4.
• Уровень бикарбоната в поливной воде не должен превышать 8,5 мЭ/л.

Приложение

Корням большинства сельскохозяйственных растений для нормального развития требуется достаточное количество воздуха. Избыточная подземная вода заполняет поры почвы и подавляет их рост, лишая корни воздуха, что приводит к корневой гнили и гибели растений.

Дополнительной причиной подземного дренажа является обеспечение достаточной твердости почвы для обработки почвы и другого доступа тяжелой техники для ухода и сбора урожая.

Увеличение урожайности сельскохозяйственных культур

Большинству культур требуются определенные условия влажности почвы, и они плохо растут на влажной, перегнойной почве. Даже в незагрязненной почве корни большинства растений не растут намного глубже уровня грунтовых вод. В начале вегетационного периода, когда воды достаточно, растения маленькие и не требуют много воды. За это время растениям не нужно развивать корни, чтобы добраться до воды. По мере того, как растения растут и потребляют больше воды, воды становится все меньше. В это время уровень грунтовых вод начинает падать. Затем растениям необходимо развить корни, чтобы добраться до воды. В периоды засухи уровень грунтовых вод может падать быстрее, чем скорость, с которой растения отрастают корни, чтобы достичь его, и это состояние может вызвать серьезный стресс у растений.

Установка дренажной плитки позволяет эффективно снизить уровень грунтовых вод и растения могут правильно развивать свои корни. Недостаточная водонасыщенность почвы позволяет кислороду оставаться в порах почвы для использования корнями. Дренажная плитка предотвращает попадание корней под уровень грунтовых вод во время влажных периодов, что может вызвать стресс у растений. Удаляя избыток воды, культуры более эффективно используют воду, к которой имеют доступ их корни. Увеличение урожайности можно резюмировать как принуждение растений к развитию большего количества корней, чтобы они могли поглощать больше питательных веществ и воды.

Тот же принцип действует и в горшках с комнатными растениями: их дренажные отверстия в днище отводят лишнюю воду из среды, так что воздух может заполнить поры среды и стать доступным для корней, которые, если они лишены воздуха из-за насыщения почвы среда с водой в течение достаточного времени, загниет и погибнет. Установка дренажной плитки на поле в виде сетки позволяет добиться того же эффекта на поле площадью несколько сотен акров.

Сантехника из сливной плитки

Гигантские рулоны полиэтиленовой гофрированной дренажной трубы

В плиточной дренажной системе под поверхностью сельскохозяйственных полей устанавливается своего рода «водопровод», фактически состоящий из сети подземных труб, которые позволяют подземным водам выходить из-под частиц почвы в линию плитки. Вода, текущая через линии плитки, часто в конечном итоге попадает в точки поверхностных вод — озера, ручьи и реки, — расположенные на более низкой высоте, чем источник. Вода попадает в линию плитки либо через зазоры между секциями плитки, в случае старых конструкций плитки, либо через небольшие перфорации в современной пластиковой плитке. Для укладки плитки или линии плитки может потребоваться траншеекопатель ( Ditch Witch ), плуг для кротов , экскаватор или другое тяжелое оборудование .

Тип почвы сильно влияет на эффективность плиточных систем и определяет степень покрытия территории плиткой, чтобы обеспечить достаточный дренаж. Более песчаным почвам не потребуется дополнительный дренаж, если он вообще потребуется, тогда как почвы с высоким содержанием глины будут удерживать воду плотнее, поэтому линии плитки необходимо располагать ближе друг к другу.

Обслуживание

Корни деревьев живых изгородей и ветрозащитных полос естественным образом привлекают благоприятные условия полива, которые обеспечивают плитки или линии плитки соседних полей. Гидротропизм играет роль, поскольку корневые волоски на динамически исследующих кончиках корней деревьев по-разному реагируют на более влажные и сухие расщелины, обмениваясь гормональными сообщениями с остальной частью дерева, которые побуждают их сконцентрироваться на продвижении в такие благоприятные ниши. В перфорациях дренажных линий, выложенных плиткой, а также в потрескавшихся или ржавых водопроводах и канализационных трубах под городскими улицами эти корни находят идеальное сочетание входа для входа и обильного запаса воды за ним. В результате в любой из этих систем труб иногда возникают засоры, и их приходится очищать с помощью змеевика , фрезерного змеевика , подбора копания и протаскивания и подобных методов. В некоторых регионах фермеры должны постоянно обслуживать дренажные линии, чтобы они оставались открытыми и правильно работали, по крайней мере, ежегодно очищая ту или иную часть системы.

История

Кружка и подошва плитки

Старая дренажная плитка, раскопанная на строительной площадке фермы в округе Монмут, штат Нью-Джерси.

Дренажная плитка в земле с того же участка

Древнеримские авторы Катон Старший и Плиний Старший описали черепичные дренажные системы в 200 г. до н. э. и первом веке нашей эры соответственно. По данным фермы Джонстон, дренаж из плитки был впервые представлен в Соединенных Штатах в 1838 году, когда Джон Джонстон применил практику из своей родной Шотландии на своей новой ферме в округе Сенека, штат Нью-Йорк . Джонстон уложил 72 мили (116 км) глиняной черепицы на площади 320 акров (1,3 км2). ² ). Благодаря этим усилиям его урожайность пшеницы увеличилась с 12 бушелей на акр до 60. Джонстон, «отец плиточного дренажа в Америке», продолжал выступать за дренажную систему на протяжении всей своей жизни, объясняя свой успех в сельском хозяйстве формулой «D, C и D», то есть навозом, кредитом и дренажем.

Расширение дренажных систем было важным техническим аспектом расширения на запад в Соединенных Штатах в 19 веке. Хотя земля в Соединенных Штатах была разделена в соответствии с Системой государственного землеустройства , учрежденной Постановлением о земле 1785 года , освоение, особенно сельскохозяйственных земель, часто ограничивалось скоростью, с которой они были пригодны для обработки. Например, хотя Айова была признана штатом Соединенных Штатов в 1846 году, карты, на которых была изображена собственность на землю, указывали на то, что плотность населения в северо-западном регионе Айовы была ниже средней еще в 1870-х годах. известен своим высоким уровнем грунтовых вод и многочисленными озерами и водно-болотными угодьями .

Западные государства имели аналогичные ограничения на интенсификацию сельского хозяйства. Многие штаты предложили правительственные стимулы для улучшения земель для сельского хозяйства. Например, законодательство Индианы привело к принятию в 1850 году федерального закона, который предусматривал продажу болот со скидкой фермерам при условии, что они осушат землю и улучшат ее для повышения производительности сельского хозяйства. Чтобы способствовать такому улучшению, большинство штатов учредили правительственные учреждения, регулирующие установку плиточного дренажа. Даже в настоящее время местные выборы в более сельских штатах часто включают выборы членов наблюдательных советов по дренажу; например, в Мичигане комиссар округа по дренажным системам по-прежнему избирается всенародно.

В течение десятилетий после Гражданской войны в США дренажные системы быстро расширялись. Например, историческая литература из Огайо. сообщает, что в 1882 году количество осушенных десятин было примерно равно площади осушенных за все предыдущие годы земель. В 1930-х годах Гражданский корпус охраны природы расширил дренажные системы по всему Среднему Западу , большая часть которых используется до сих пор.

Достижения в области дренажных технологий

Вплоть до окончания Второй мировой войны технология укладки плитки оставалась аналогичной методам, впервые использованным в 1838 году. Хотя позднее цементные секции заменили первоначальную глиняную плитку, а для рытья траншей для линий плитки использовались машины, процесс оставался довольно трудоемким. интенсивны и ограничены специализированными подрядчиками.

Внедрение пластиковой плитки позволило снизить как стоимость укладки плитки, так и количество трудозатрат. Вместо того, чтобы укладывать отдельные секции цементной плитки встык в траншею, монтажникам плитки нужно было всего лишь развернуть непрерывную секцию легкой и гибкой линии плитки. К концу ХХ века, когда на американских фермах стали все более распространены большие полноприводные тракторы, на рынке появились орудия для изготовления плитки своими руками. Удешевляя укладку плитки и позволяя выполнять ее по графику землевладельца, фермеры получают возможность осушить локальные влажные пятна, которые могут не создавать достаточных проблем, чтобы требовать более дорогостоящих операций. Таким образом, фермеры могут увеличить урожайность, сэкономив при этом на капитальных затратах на укладку плитки. Возможно, самым полезным орудием в истории дренажа была машина Б. Хилла Джеймса Buckeye Traction Ditcher , которая укладывала дренажную плитку с рекордной скоростью. Землеройная машина Хилла осушила Большое Черное Болото в Огайо, обширные территории Луизианы и болота Флориды.

Социальные и экологические последствия плиточного дренажа

С экологической точки зрения расширение дренажных систем имело огромные негативные последствия. Сотни тысяч видов водно-болотных угодий испытали значительное сокращение численности популяций, поскольку их среда обитания все больше фрагментировалась и использовалась для других целей. Хотя рыночная охота на Центральном пролетном пути стала одним из факторов, способствовавших сокращению численности многих видов водоплавающих птиц в первые десятилетия двадцатого века, потеря мест размножения в результате расширения сельского хозяйства, безусловно, является наиболее значительным фактором. На ранних картах штатов Среднего Запада изображено множество озер и болот, которых сегодня не существует или их площадь значительно сократилась. Создание каналов , связанный с этим процесс концентрации и облегчения стока воды из сельскохозяйственных территорий, также способствовало этой деградации.

Плиточный дренаж и соответствующие изменения в ландшафте – осушение водно-болотных угодий, влажных почв и направление ручьев – способствовали усилению эрозии рек. Такая реакция рек на дренаж является результатом сокращения времени пребывания воды в ландшафте. Например, раньше осадки задерживались на водно-болотных угодьях и внутри/на поверхности почв, непрерывно испаряясь или используясь посредством транспирации растений. Вода будет медленно стекать по ландшафту и в конечном итоге стечь в реки. Процесс дренажа плитки, используемый для быстрой и эффективной сушки почвы, приводит к эффективной передаче воды в реку – настолько эффективной, что в реки доставляются большие объемы воды. Эффект от большего объема воды заключается в увеличении количества энергии в воде - состояние динамического равновесия, в котором реки существовали на протяжении веков (медленно меняя форму и постоянно перенося ограниченное количество наносов), было и в настоящее время находится вне баланса. Эта потеря равновесия приводит к чрезвычайной береговой эрозии, что приводит к чрезмерной нагрузке наносов и критическому воздействию на природную среду и речную среду обитания.

Дренажная плитка иногда уменьшает эрозию почвы и сток некоторых питательных веществ, в том числе фосфора. Фосфор является важнейшим питательным веществом, требующим контроля, поскольку он является лимитирующим питательным веществом в большинстве водных экосистем. Таким образом, фосфор является основным виновником эвтрофикации поверхностных вод; однако другое лимитирующее питательное вещество, азот, наносит существенный ущерб качеству воды. Например, азот участвует в гипоксии залива. Дренажная плитка иногда повышает качество воды, поскольку вода стекает в землю, а затем в плитку, а не стекает с поля в канаву, унося с собой почву и питательные вещества. Почва может фильтровать воду до того, как она попадет в ручьи и реки. Однако, игнорируя улучшения поверхности, такие как защитная обработка почвы или прибрежные буферы, плиточный дренаж также может создать проблемы с качеством воды. а стоки из дренажной системы, как правило, содержат чрезвычайно много азота. Кроме того, дренаж из плитки иногда содержит очень высокие уровни других химикатов. Поскольку поверхностные формы ресурсосберегающего земледелия менее эффективны в осушенных системах, более эффективными могут быть различные методы, такие как контролируемый дренаж или искусственные водно-болотные угодья. На очень ровных участках, где естественный рельеф не обеспечивает уклон, необходимый для стока воды, можно выкопать «сельскохозяйственные колодцы», чтобы обеспечить достаточный сток линий плитки. Однако дренажные колодцы могут поставить под угрозу качество грунтовых вод.

Интенсивное животноводческое хозяйство (МОТ)/ концентрированное кормление животных (CAFO) привело к проблемам в утилизации отходов животноводства. Сточные воды животноводства содержат ценные питательные вещества, но неправильное использование этих материалов может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как перегрузка питательными веществами. Впрыскивание сточных вод непосредственно в землю — это один из методов, которые используют производители навоза для улучшения усвоения питательных веществ. Дренажные плитки могут увеличить просачивание навоза в поверхностные водные пути в результате впрыскивания навоза, поскольку жидкий навоз просачивается через почву и стекает с поля в водные пути через дренажные плитки.

Сегодня несколько государственных и федеральных инициатив направлены на то, чтобы обратить вспять процесс утраты среды обитания. Многие программы поощряют фермеров и даже возмещают им расходы за прекращение дренажа локальных влажных мест на их территории, часто путем разрушения водозаборных отверстий или удаления водосточных желобов. Землевладельцам часто частично или полностью компенсируют утрату возможности выращивать урожай на этой земле. Подобные программы и сотрудничество землевладельцев по всей стране оказывают существенное положительное влияние на популяцию различных водоплавающих птиц.

См. также

• Дренаж
• Уравнение дренажа
• Дренажная система (сельское хозяйство)
• Контроль уровня воды
• Контроль солености с помощью подземного дренажа
• Уравнение расстояния между дренами с использованием энергетического баланса потока подземных вод
• Исследование дренажа
• Полив (дренаж)