I. Rola nawodnień w rolnictwie i ich podział ze względu na cel nawadniania

1. Rola nawodnień w rolnictwie

W wielu krajach nawodnienia stanowią odrębną dziedzinę, zarówno jako dyscyplina naukowa, jak i gałąź działalności administracyjno-gospodarczej. Takie odrębne traktowanie nawodnień znajduje uzasadnienie w strefach występowania stałego niedoboru wody, którego uzupełnienie, w celu zapewnienia optymalnych warunków wilgotnościowych dla uprawianych roślin, staje się zadaniem głównym, wymagającym specjalnego, samodzielnego rozwiązania. Jednak w warunkach klimatu umiarkowanego jaki występuje na terenie Polski, charakteryzującego się stosunkowo dużą zmiennością poszczególnych jego elementów, a zwłaszcza chwiejną równowagą bilansu wodnego, do intensywnej produkcji roślinnej niezbędne jest dwustronne regulowanie stosunków powietrzno-wodnych w glebie. Konieczność ta występuje przede wszystkim w dolinach rzecznych, w których występują znaczne kompleksy użytków zielonych o stosunkowo dużych potrzebach wodnych.

Nadmiary wody, zwłaszcza w okresach pozimowych i w czasie spływu wód wielkich, nie sprzyjają dobremu rozwojowi roślin. W takiej sytuacji, w celu stworzenia korzystnych warunków powietrzno-wodnych w glebie, konieczne jest szybkie odprowadzenie nadmiaru wód za pomocą urządzeń odwadniających. Natomiast w okresach posusznych, w których występują niedobory wody, do intensywnego wzrostu roślin niezbędne jest uzupełnianie wilgoci w glebie przez nawadnianie. Dlatego też w dolinach rzecznych stosuje się urządzenia melioracyjne umożliwiające dwustronną regulację wilgoci w glebie.

Najczęściej za pomocą urządzeń melioracyjnych wpływamy na obieg wody i powietrza w glebie, ponadto oddziałują one na stosunki cieplne i obieg związków pokarmowych w profilu glebowym. Łączne kierowanie tymi obiegami nie tylko bezpośrednio podnosi żyzność gleby, ale może wpływać na przebieg procesów glebowych i w rezultacie stać się czynnikiem kształtującym glebę.

Z ogólnych zadań melioracji rolnych w zastosowaniu do nawodnień wynika, że:

• nawodnienia nie mogą być traktowane jako zabiegi hydrotechniczne, o celu ograniczonym tylko do dostarczania wody, bez uwzględniania innych działań i skutków,

• nawodnienia nie mogą być wyodrębniane lub rozpatrywane w oderwaniu od całości gospodarki wodnej i ogólnych koncepcji melioracyjnych na większych obszarach,

• rola nawodnień nie może się ograniczać tylko do zwalczania skutków wadliwego obiegu wody w profilu gleby lub w zlewni, ale powinny one mieć na celu również usuwanie innych przyczyn, wpływających na niedostateczny potencjał produkcyjny środowiska.

Ze względu na swoiste cele i pewną specyfikę techniki, dogodniejsze jest omawianie nawodnień na wykładach jako oddzielnego działu, lecz w praktyce jest to tylko jedna z form melioracji podnosząca żyzność gleby, stosowana kompleksowo wraz z innymi zabiegami.

2. Podział nawodnień ze względu na cel nawadniania

Uwzględniając powyższe zasady przyjmujemy podział nawodnień przede wszystkim stosownie do ich głównych celów i zadań. Wyróżniamy więc następujące rodzaje nawodnień:

1. zwilżające,

2. użyźniające,

3. przemywające,

4. ocieplające,

5. ochronne,

6. oczyszczające.

Ad. 1. Nawodnienia zwilżające stosowane są głównie w celu zwilżania gleby; uzupełniają one wodę w glebie do ilości niezbędnej dla dobrego rozwoju roślin, powodują utrzymanie wilgotności gleby w przedziale optymalnym dla roślin. Ten rodzaj nawodnień, od dawna stosowany w rolnictwie, jest na świecie najbardziej rozpowszechniony, stąd też ogólne pojęcie nawodnień dość często bywa utożsamiane z nawodnieniami zwilżającymi.

Za pomocą nawodnień reguluje się przeważnie wilgotność gleby, jednak w pewnych warunkach zależy rolnictwu również na trwałym podtrzymywaniu wyższej wilgotności powietrza (nawodnienia zwilżające atmosferę). Takie rozwiązania stosowano np. w Izraelu na plantacjach cytrusowych - deszczownie o bardzo małej intensywności opadu, lecz pracujące w sposób ciągły przez dłuższy okres (oczywiście z pewnymi przerwami) obniżały niedosyt wilgotności w przyziemnej warstwie powietrza.

Nawodnienia zwilżające glebę mogą być wykonywane jako nawodnienia wegetacyjne (w okresie bezpośredniego zapotrzebowania wody przez roślinność) lub też jako nawodnienia pozawegetacyjne, a szczególnie przedwegetacyjne. Te ostatnie mają na celu jednorazowe zwiększenie zapasu wilgoci w profilu gleby jeszcze przed ruszeniem wegetacji. Większy zapas retencjonowanej wilgoci może niekiedy zrównoważyć rozchody okresu wegetacyjnego bez potrzeby dodatkowych nawodnień wegetacyjnych, z którymi związane są zawsze specyficzne trudności techniczne i eksploatacyjne w gospodarstwie rolnym.

W przypadku stwierdzenia istotnych niedoborów wody bezwzględna konieczność nawodnień zwilżających jest tylko wtedy przyrodniczo uzasadniona, gdy uprzednio zostały już na danym obszarze wyczerpane wszelkie środki rolnicze, mające na celu magazynowanie i oszczędzanie naturalnych zasobów wodnych. Z drugiej strony każdy projekt melioracji nawadniających powinien przewidywać pełne włączenie środków agrotechnicznych, wpływających na oszczędniejsze zużycie wody i podniesienie współczynnika jej wykorzystania. Przy ocenie potrzeby nawodnień należy więc uwzględniać ogólny poziom kultury rolnej regionu, świadczący o tym czy rolnictwo uruchomiło, względnie czy zdolne jest do uruchomienia wszystkich własnych rezerw w gospodarce wodnej.

Lepsze wykorzystanie zasobów wody opadowej rolnictwo może realizować przez:

• zwiększenie pozycji przychodowej w bilansie wodnym gleby za pomocą ograniczenia odpływu powierzchniowego i wgłębnego, oraz podniesienia pojemności wodnej profilu,

• zmniejszenie rozchodów na parowanie terenowe za pomocą ograniczenia nieprodukcyjnego parowania z powierzchni gleby.

W sumie zabiegi rolnicze są w stanie wpływać na wszystkie człony bilansu wodnego gleby : przychód, rozchód i retencję.

Zwiększenie pozycji przychodowej można osiągnąć przez magazynowanie opadu zimowego na terenach równinnych, stosując środki chroniące przed wywiewaniem śniegu, do których należą między innymi:

• zadrzewienia śródpolne w formie pasów leśnych,

• czasowe zasłony sztuczne lub naturalne w postaci pasów roślinności (kukurydza) pozostawionych na zimę,

• orki jesienne wykonane w poprzek panujących wiatrów − na polu zaoranym w ostrą skibę zatrzymuje się więcej śniegu, który po stajaniu nasyca glebę wodą, ponadto gleba o ostrej skibie szybciej i głębiej zamarza, co dodatnio wpływa na szereg procesów glebotwórczych,

• zgarnianie śniegu w wały.

Zabiegi te dają możliwość zatrzymania dodatkowo 400-600 m³⋅ha^-1 wody (40-60 mm), co w warunkach naszego kraju odpowiada sumie miesięcznego opadu.

Ograniczenie spływu powierzchniowego i ułatwienie wsiąkania wody w głąb profilu na glebach cięższych, zwłaszcza położonych w terenach falistych można osiągnąć poprzez:

• uprawy mechaniczne, głębokie orki z pogłębiaczem powodujące zruszenie podeszwy płużnej, co dodatnio wpływa na stosunki powietrzno-wodne w glebie, powodując przewietrzenie głębszych warstw gleby i ułatwiając wsiąkanie wody,

• uprawy pielęgnacyjne (np. redlenie okopowych) i pożniwne (podorywki),

• rozplanowanie kierunków orki wzdłuż warstwic, bruzdowanie,

• formowanie niskich grobelek zatrzymujących wody roztopowe i opadowe na zboczach,

• rozmieszczenie pasów roślinności trawiastej i pasów zadrzewień śródpolnych.

Ograniczeniu nieprodukcyjnej części parowania terenowego sprzyjają takie zabiegi jak:

• podorywka, która zarówno przyczynia się do zwalczania chwastów jak i reguluje wilgoć w glebie; jest to płytka orka o głębokości około 5 cm, która rozbija zleżałą, często zaskorupiałą wierzchnią warstwę gleby, czyni ją przewiewniejszą i bardziej przepuszczalną, przerywa kapilary, zmniejsza więc parowanie, a zwiększa kondensację pary wodnej i uwilgotnienie gleby,

• podorana gleba powinna być natychmiast zabronowana, gdyż w przeciwnym wypadku orka nie spełni wymienionych zadań,

• zamiast podorywki można też wykonywać inne zabiegi, których celem będzie spulchnianie wierzchniej warstwy gleby - służą do tego m. in. glebogryzałki i talerzówki,

• dobór roślin w płodozmianie pod kątem najlepszego wykorzystania naturalnego rozkładu zasobów wodnych okresu wegetacji lub ugorowanie pól w celu zmagazynowania opadów z części roku,

• przykrywanie gleby warstwą izolującą (tzw. matowanie, pokrycie folią itp.) stosowane w ogrodnictwie,

• intensywne nawożenie sprzyjające zwarciu pokrywy roślinnej i zmniejszeniu współczynnika transpiracji,

• piaskowanie torfów,

• zadrzewienia śródpolne zmniejszające prędkość wiatru i podnoszące wilgotność powietrza,

• budowa małych zbiorników magazynujących wodę i częściowo wpływających na mikroklimat otoczenia.

Zwiększenie pojemności wodnej gleby i ograniczenie przesiąków poza czynną warstwę profilu w glebach lżejszych. Zadanie to jest stosunkowo trudne tym niemniej rolnictwo dysponuje tu również szeregiem środków, takich jak np.:

• dobór roślin w płodozmianach,

• intensywne nawożenie organiczne w celu zwiększenia ilości próchnicy, która dodatnio wpływa na przepuszczalność gleby i jej pojemność wodną,

• nawożenie gliną, marglem, szlamem, osadami ściekowymi, torfem itp., z głębokim przeoraniem dla wytworzenia nieprzepuszczalnych przewarstwień,

• stosowanie sztucznych środków strukturotwórczych (polimerów),

• orka specjalnymi pługami dla przemieszczania warstw gleby w profilu, co wpływa na zwiększenie retencji wodnej gleby.

Jeśli zabiegi rolnicze nie wystarczą dla zrównoważenia niedoborów, stajemy wobec konieczności uzupełnienia bilansu wodnego za pomocą nawodnień zwilżających.

Ad.2. Nawodnienia użyźniające stosowane są wówczas, gdy zachodzi konieczność dostarczenia składników pokarmowych do gleby celem:

• bezpośredniego zaopatrzenia roślin uprawnych w niezbędne składniki pokarmowe,

• poprawienia fizycznych i chemicznych właściwości profilu glebowego,

• wytworzenie nowej warstwy gleby na nieodpowiednim lub mało przydatnym dla rolnictwa podłożu (tzw. kolmatacja).

Nawodnienia użyźniające (nawożące) mogą być realizowane w dwojaki sposób, a mianowicie przez:

• wykorzystanie wody używanej do nawodnień zwilżających (najczęściej deszczownianych) w charakterze środka transportującego nawozy mineralne, względnie niektóre organiczne (gnojowica) do gleby lub wprost na roślinność (nawożenie pogłówne),

• wykorzystanie wód ściekowych lub naturalnych wód żyznych, zawierających namuły i rozpuszczone sole mineralne, do zwiększania zasobów pokarmowych w glebach ubogich i do poprawienia wadliwych właściwości fizycznych, a niekiedy do wytworzenia nowej warstwy gleby (kolmatacja).

Nawodnienia użyźniające glebę mogą być stosowane jako nawodnienia wegetacyjne i również z bardzo dobrym skutkiem jako pozawegetacyjne (na gruntach ornych i na łąkach). Nawodnienia bezpośrednio nawożące roślinę (pogłówne) związane są z jej wymaganiami w poszczególnych fazach wegetacji.

Te typowe nawodnienia użyźniające wymagają dużych ilości wody, a najodpowiedniejszymi systemami są nawodnienia powierzchniowe: zalewowe lub stokowe.

Przykładem typowych nawodnień użyźniających jest dolina rzeki Ner, w której są rolniczo wykorzystywane ścieki łódzkiego zespołu miejskiego. Stosowane tam nawodnienia, spowodowały daleko idące pozytywne zmiany w glebach doliny i zapewniają wysoką produkcyjność użytków zielonych. W skali światowej typowym obiektem nawodnień zwilżająco-nawożących, opartych na naturalnej wodzie rzecznej, jest dolina Nilu, gdzie jednak dzięki wysokiej zawartości namułów zachodzi również proces kolmatacji terenu.

Ad.3. Nawodnienia przemywające o wyraźnie melioracyjnym zadaniu, są stosowane w celu usuwania szkodliwych związków z profilu gleby. Nawodnienia te są niezbędne w melioracjach gleb słonych (sołonczaków) lub dla zapobiegania zjawisku wtórnego zasolenia, które występuje w strefach posusznych przy nawodnieniach zwilżających. Melioracja tych gleb polega na doprowadzeniu dużych dawek wody w ilościach przewyższających polową pojemność wodną danej warstwy gleby. Po rozpuszczeniu soli nadmiar wody z profilu glebowego powinien być odprowadzony systemem drenów.

Ad.4. Nawodnienia ocieplające ogrzewają glebę i przyspieszają jej rozmarzanie w okresie przedwiośnia, mogą też stanowić środek ochrony roślin przed przymrozkami a także stosowane bywają w strefie gorącej dla obniżenia szkodliwych temperatur maksymalnych w przyziemnej warstwie powietrza. Nawodnienia te wykonywane są wiosną lub jesienią przy użyciu wód ściekowych lub ciepłych wód, np. przemysłowych.

Ad.5. Nawodnienia ochronne umożliwiają skuteczniejsze zwalczanie niektórych chwastów lub szkodników zwierzęcych. Oczywiście obecne rolnictwo dysponuje dla celów ochrony roślin znacznie potężniejszymi środkami chemicznymi, nie byłoby jednak słuszne, aby meliorant wyłączył się ze współdziałania w zakresie ochrony roślin, zwłaszcza, że często przy rozprowadzaniu środków specjalnych korzystać można i trzeba z urządzeń deszczownianych.

Ad.6. Nawodnienia oczyszczające mają na celu oczyszczenie ścieków bytowych, komunalnych i przemysłowych z jednoczesnym ich rolniczym wykorzystaniem dla nawożenia i zwilżania gleby. Profil glebowy stanowi mechaniczny i biologiczny filtr, odnawiający się w procesie systematycznego rolniczego użytkowania. Zastrzec trzeba, że nie są to sprawy proste, gdyż w grę wchodzi należyte oczyszczanie wstępne, dobór odpowiedniego systemu nawodnień i wreszcie konieczność całorocznego odbioru ścieków.

Każde z nawodnień wymienionych w punktach 2 - 6 będzie jednocześnie w mniejszym lub większym stopniu nawodnieniem zwilżającym. Ponadto można niekiedy z góry zakładać wykorzystanie danego rodzaju nawodnienia dla osiągnięcia paru celów łącznie. To gospodarczo uzasadnione zadanie łączenia celów nie jest jednak łatwe i proste, gdyż główny cel nawodnień decyduje o doborze techniki doprowadzania i rozprowadzania wody, a przede wszystkim o sposobach eksploatacji, które zależnie od celu nawodnień są bardzo zróżnicowane. Dokładne poznanie różnorodności celów i działania nawodnień jest niezbędne dla właściwego doboru i stosowania odpowiedniej techniki nawodnień.

W rezultacie rozwiązania wielozadaniowe wymagają szczególnie wnikliwych studiów przedprojektowych.

Oprócz omówionego podziału nawodnień stosowane są także klasyfikacje według kryteriów technicznych, zagadnienia te przedstawione będą w dalszych wykładach.

3. Definicje podstawowych pojęć z zakresu techniki nawodnień

W literaturze melioracyjnej, krajowej i obcej, spotykane są różnorodne nazwy i określenia takich pojęć jak powierzchnia nawadniana, okres i czas nawadniania, dawka, dopływ jednostkowy itp. W celu ujednolicenia nazewnictwa omawianej problematyki poniżej zdefiniowano ważniejsze pojęcia i określenia jakie są stosowane przy omawianiu metod obliczania systemów nawadniających.

Podział funkcjonalny jednostek inwestycyjnych na obszarze potencjalnych nawodnień jest następujący:

• kompleks nawadniany − obszar należący zazwyczaj do szeregu jednostek gospodarczych, lecz stanowiący z reguły pewną fizjograficzną, a zwłaszcza hydrograficzną całość, objętą wspólnym planem gospodarki wodnej, może on być zasilany za pośrednictwem jednego lub kilku doprowadzalników, z jednego lub kilku koordynowanych źródeł wody,

• obiekt nawadniany − obszar w obrębie kompleksu różnie użytkowany lecz stanowiący rolniczą jednostkę gospodarczą i posiadający możność realizowania planowej gospodarki wodnej,

• dział nawadniany − powierzchnia wyodrębniona na obiekcie jako jednostka samodzielna, obsługiwana własnym doprowadzalnikiem i rowem odpływowym,

• kwatera nawadniana − część działu użytkowana w danym okresie czasu w sposób jednolity.

Zasadniczy podział funkcjonalny sieci nawadniającej jest następujący:

• sieć doprowadzająca − należy do urządzeń podstawowych i służy do transportu wody do kompleksu, obiektu lub działu,

• sieć rozdzielcza − zasila mniejsze jednostki powierzchni, w zasadzie kwatery, niekiedy działy,

• sieć rozprowadzająca − czyli szczegółowa, czerpie wodę z sieci rozdzielczej i rozprowadza ją równomiernie po kwaterze.

W stosunku do kwatery sieć doprowadzająca i rozdzielcza stanowi urządzenia zewnętrzne, sieć rozprowadzająca należy do urządzeń wewnętrznych. Suma przepływu w jednocześnie pracującej sieci wewnętrznej określa wielkość niezbędnego przepływu na poszczególnych odcinkach sieci zewnętrznej.

W kategoriach dotyczących czasu nawodnień wyróżniamy:

• okres nawodnień − kalendarzowy przedział czasu, w którym są projektowane i realizowane nawodnienia, jest zależny od celu nawodnień, dla nawodnień zwilżających będzie to z reguły cały okres wegetacji roślin, nawodnienia użyźniające lub przemywające mogą być wykonywane poza sezonem wegetacyjnym, nawodnienia ocieplające są realizowane w okresie występowania przymrozków itp.,

• terminy nawodnień − kalendarzowe przedziały czasu (w obrębie okresu nawodnień), w których na danej powierzchni powinno być realizowane pojedyncze nawadnianie, nazywane ogólnie polewami,

• czas efektywny trwania pojedynczego nawadniania, czyli polewu − czas netto wyrażony w dobach, godzinach lub minutach, niezbędny do jednorazowego rozprowadzenia żądanej ilości wody na podstawowej jednostce powierzchni, kwaterze,

• czas nawodnienia brutto − równa się czasowi efektywnemu plus potrzebny czas na wszelkie pomocnicze operacje związane z nawadnianiem.

Definicje dawek i współczynników wykorzystania wody przedstawiają się następująco:

• wielkości dawek wyrażamy w mm słupa wody lub w m³⋅ha^-1, pamiętając o relacji przeliczeniowej: 1 mm równa się 10 m³⋅ha^-1,

• D_n − dawka okresowa netto − sumaryczna ilość wody netto (bez uwzględniania strat), którą w okresie nawodnień należy wprowadzić na jednostkę powierzchni dla osiągnięcia celu nawadniania,

• d_n − dawka polewowa netto − ilość wody netto (bez uwzględniania strat), którą dla osiągnięcia celu nawadniania należy wprowadzić na jednostkę powierzchni w czasie trwania pojedynczego nawadniania; dawki polewowe, realizowane w różnych terminach, mogą być jednakowe lub zróżnicowane, zależnie od terminu nawadniania, zmiennych warunków klimatycznych, wymagań rośliny itp.

Dawka okresowa netto stanowi sumę dawek polewowych netto:

Dawka polewowa brutto jest większa od dawki netto:

Stosunek ten (zawsze mniejszy od jedności) jest terminowym technicznym współczynnikiem wykorzystania wody (hydraulicznym współczynnikiem sprawności nawadniania), miarodajnym dla określonego polewu poszczególnej kwatery. Współczynnik ten zależy od systemu nawadniania (w deszczowniach osiąga 0,90-0,95, przy zalewie jest bardzo niski, niekiedy 0,2-0,3) i może być zmienny w różnych terminach nawodnień.

Dawka okresowa brutto jest sumą dawek polewowych brutto:

Stosunek:

jest okresowym technicznym współczynnikiem wykorzystania wody na kwaterze w całym okresie nawodnień.

Techniczne współczynniki wykorzystania wody charakteryzują tylko hydrauliczną sprawność wewnętrznych urządzeń, rozprowadzających wodę po kwaterze. Na rolniczą efektywność nawodnień wskazuje współczynnik produkcyjny wody, przedstawiający wielkość przyrostu plonów uzyskaną na jednostkę doprowadzanej wody. Oznaczając przez ΔM przyrost plonu w kg⋅ha^-1 wywołany przez dawkę okresową brutto D_br wyrażoną w m³⋅ha^-1 otrzymamy współczynnik produkcyjny wody w postaci:

[kg⋅m^-3]

Oznaczając przez d_i (mm) dawkę polewową brutto, którą należy wprowadzić na kwaterę o powierzchni f_i (ha) w efektywnym czasie trwania polewu t_i (doby) otrzymujemy proste, dogodne do obliczeń, wyrażenie na niezbędny dopływ jednostkowy na powierzchnię jednego hektara danej kwatery w postaci:

[dm³⋅s^­1⋅ha^-1]

Jeżeli równocześnie w danym przedziale czasu nawadnia się powierzchnię złożoną z szeregu kwater, to niezbędny przepływ netto w doprowadzalniku zasilającym powierzchnię
f_i wyniesie:

[dm³⋅s^-1]

Wydatek brutto danego doprowadzalnika (na ujęciu) równa się niezbędnemu wydatkowi netto powiększonemu o wszystkie straty występujące na trasie doprowadzania wody.

Literatura

Brandyk T. 1986. Nawadnianie terenów dolinowych. [W:] Podstawy melioracji rolnych, Red. Piotr Prochal, PWRiL Warszawa, t 1, 409-447.

Ostromęcki J. 1973. Podstawy melioracji nawadniających. PWN Warszawa.

Ziemnicki S. 1976. Melioracje rolne i elementy miernictwa. PWN Warszawa.

Rola nawodnień w rolnictwie i ich podział ze względu na cel nawadniania

Rola nawodnień w rolnictwie i ich podział ze względu na cel nawadniania

12

13

---