Эрозия по-прежнему считается главным фактором потери плодородия. Да, аграрный сектор в стране быстро развивается, однако прибыль часто выходит на первый план, почвозащитные же меры отходят на второй. Это ведет к деградации почв, загрязнению и заилению водных систем. К тому же раздробленность земель фермерскими хозяйствами не дает возможности масштабно взяться за защиту почвенного покрова. Разработка эффективных землеустроительных решений на адаптивно-ландшафтной основе не всегда возможна, ведь все это нужно комплексно проектировать на территории целого водосборного бассейна.
Опасные перспективы
У нас в стране эрозии подвержено почти 60 % сельскохозяйственных угодий, и больше всех страдают южные территории. Скажем, в Калмыкии 78 % угодий подвержено разным видам деградации. Среди них и Черные земли, плоды необдуманной распашки.
В Ростовской области особенно опасны в эрозионном отношении сельскохозяйственные земли. Сейчас здесь водной и ветровой эрозии подвержена 241 тыс. га. В целом из-за неконтролируемой хозяйственной деятельности общее содержание гумуса в почвах региона катастрофически низкое и уже приближается к критическому уровню. Судя по данным мониторинга и эколого-математического моделирования, в Ростовской области требуются эффективные агромелиоративные меры предотвращения эрозии и загрязнения сельскохозяйственных территорий. Важный экономический штрих: использование очищенной воды на орошение поможет окупить затраты на эти работы. В то же время загрязнения водоемов продуктами водной эрозии по своим последствиям аналогичны воздействию сброса промышленных стоков.
Среди мер предупреждения эрозии и борьбы с ней используют строительство гидротехнических сооружений и прудов. Увы, в сфере сельхозпроизводства проблема загрязнения хозяйственными стоками еще не решена. Да и в животноводстве такое строительство не ликвидирует проблему, тем более на склоновых землях. Часто прорывы сточных вод, образующиеся при гидросмыве, устремляются в разрывы и промоины на нижние участки склонов, попадают на дно балок и загрязняют грунтовые воды, проникают по гидрографической сети в речные экосистемы. Причиной становится быстрое заиливание канав, переполнение прудов-накопителей и сильная фильтрация из дна гидротехнических сооружений. Мало того, сами склоновые земли становятся загрязненными.
Судя по данным наших исследований, загрязнение дают как биогенные элементы, так и патогенные микроорганизмы. Содержание загрязнителей в почвенных образцах на территории ферм достигает угрожающих размеров: нитратного азота — 176, фосфора — 35,5, калия — 160 мг/кг (л). По патогенным микроорганизмам: стафилококков — 165 тыс., стрептококков — 30 тыс., микроскопических грибов — 115 тыс., бактерий из группы кишечной палочки — 320 тыс., сальмонеллы — 282 тыс. м.к./г (мл). Загрязнителей в поверхностных водах с территории ферм тоже хватает: нитратного азота — 55, фосфора — 30, калия — 540,0 мг/кг (л). По патогенным микроорганизмам картина не лучше: стафилококков — 18,1 тыс., стрептококков — 14,3 тыс., микроскопических грибов — 9,1 тыс., бактерий из группы кишечной палочки — 2,2 тыс., сальмонеллы — 2,48 тыс. м.к./г (мл).
В грунтовых водах по днищу балок обнаружено: нитратного азота — 155, фосфора — 1, калия — 9,7 мг/кг (л). Патогенные микроорганизмы тоже в больших количествах: стафилококков — 850, стрептококков — 12,2 тыс., микроскопических грибов — 810, бактерий из группы кишечной палочки — 1,31 тыс., сальмонеллы — 2,4 тыс. м.к./г (мл) соответственно.
Анализ патентов
Целью исследования было создание эффективных технических решений для предотвращения стока поверхностных вод с территории источников загрязнения и защиты почвы от эрозии. Есть немало способов и средств решения проблемы, поэтому мы на основе системного подхода вели отбор и анализ известных решений, защищенных патентами.
Простейшие гидротехнические сооружения сочетаются с защитными лесными полосами, расположенными поперек направления стока. Лесополосы заметно гасят скорость и энергию потоков склоновой воды. Контурные стокорегулирующие лесные полосы с гидрофизическим усилением (валы, канавы, щели) способны перехватить в среднем за весну 550–780 мм влаги и даже больше.
Для получения качественного состава дренажного стока нужны оригинальные конструкторские решения. Это относится к подбору сорбционного материала для фильтра, конструкции фильтрующих узлов.
Анализ показал, что все эти способы имеют свои ограничения и недостатки в виде сложных конструктивных решений, недостаточного объема приема поверхностного стока, фильтрации удерживаемых загрязненных сточных вод в почву и грунтовые воды, особенно на почвах легкого механического состава, на грунтах с высоким залеганием грунтовых вод, потерь воды, стекающей с водосборной площади выше траншей. Кроме того, на коротких склонах невозможно создавать траншеи вверх по склону при продвижении к источнику загрязнения. Лесные насаждения, высаженные по пути стока загрязненных вод, погибают.
Загрязнение не пройдет
По результатам исследования предложен новый способ предупреждения поступления поверхностных вод с территории площадных и точечных источников загрязнения (патент на изобретение 2770692 С1 21.04.2022, заявка RU № 2021127 719 А от 20.09.2021), включающий создание траншеи поперек направления стекания сточных вод. Он может быть использован при эксплуатации точечных и площадных источников загрязнения в сельском хозяйстве.
Решаемая задача — повышение эффективности предотвращения поступления загрязненных поверхностных вод. Технический результат — предотвращение загрязнения поверхностным стоком грунтовых и поверхностных вод, задержка твердой фракции поверхностного стока, экономия воды, увеличение долговечности лесополосы и возможность использования на песчаных землях с высокой скоростью фильтрации, на землях с высоким уровнем залегания грунтовых вод, а также на коротких по длине склонах.
При создании траншеи поперек направления стекания поверхностных вод в нижней части склона перпендикулярно упомянутой траншее строят водоотводящие траншеи с ненулевым уклоном для отвода фильтрованной жидкой фракции потоков стока и связанный с ними пруд-накопитель. На дно и стенки траншей укладывают два слоя материала, из которых верхний — фильтрующий, нижний — водонепроницаемый. Между ними насыпают щебень для дренажного эффекта, а ниже траншеи закладывают лесную полосу, усиленную валом по нижней опушке.
Ниже источника 1 сельскохозяйственных загрязнений по склону 2 с уклоном «а» создают траншею 3, грунт из которой высыпается на нижележащий участок склона в виде вала 4. Между валом и траншеей высаживается лесная полоса 5 для усиления противоэрозионного эффекта. Дно и стенки траншеи выстилают слоем противофильтрационного геокомпозиционного покрытия 6, исключающего поступление воды в почву, и слоя 7, задерживающего поступающую с поверхностным стоком твердую фракцию поверхностного стока. Слой 7 образуют из фильтрующего геотекстиля, применяемого для дренажных труб, с диаметром ячеек не более 0,05 мм во избежание заиливания пор мембранного материала. Между слоями 6 и 7 на дно траншеи укладывают слой 8 из дренажного материала — щебня или гальки фракциями 20–40 мм.
Для отвода фильтрованной жидкой фракции потоков стока создаются водоотводящие канавы (с ненулевым уклоном поверхности дна) с входом в сооружаемый для приема отводимой воды пруд-накопитель стоков. Чтобы исключить фильтрацию воды, сооружения выстилают геокомпозиционным покрытием. Дно водосборного пруда-накопителя создают с уклоном, обратным к уклону днища балки. По мере необходимости при переполнении пруда-накопителя оборудуют следующий накопитель выше по уклону с дном, созданным с обратным уклоном к уклону днища балки. Воду из накопителя можно использовать по обычным технологиям как после очистки, так и без нее, для технических нужд и полива. Доочистку можно вести как на входе канала в накопитель, так и в самом накопителе.
На труднопроницаемых грунтах дно траншеи выполняют с уклоном в сторону собирающего канала для отвода и сбора излишков воды в емкость приема жидкой фракции поверхностного стока. В этом случае на дно и стенки траншеи стелют только один слой фильтрующего геотекстиля 7 для отделения твердой фракции стоков от жидкой.
Технико-экологический эффект предложенного способа обеспечивается за счет того, что на дно и стенки траншеи, созданной поперек направления стекания поверхностных вод, укладывают два слоя материала, из которых верхний — фильтрующий, нижний — водонепроницаемый. Кроме того, строительство водоотводящих траншей с ненулевым уклоном и пруда-накопителя в нижней части склона обеспечивает лучшие возможности для сбора очищенной воды ради повторного использования на орошении.
Нина Макарова, старший научный сотрудник ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
Ростовская область
Фото автора