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.

II. Działanie wody w procesie nawadniania

Podczas nawadniania woda wywiera wszechstronne i różnokierunkowe działania na glebę, mikroklimat i roślinność. Działania te uzależnione są od ilości i jakości dostarczanej wody, od systemu i sposobu prowadzenia nawodnień, a ich skutki mogą pojawiać się bezpośrednio lub w formie następstw przesuniętych w czasie. Szczegółowe poznanie zjawisk wywołanych przez nawodnienia jest więc niezbędne dla potęgowania wszelkich skutków pozytywnych i ograniczenia ubocznych ujemnych, co można uzyskać poprzez właściwe gospodarowanie wodą na obiekcie i w profilu gleby.

1. Działanie nawodnień na glebę

1.1. Zjawiska fizyczne

W zakresie fizycznym nawodnienia wpływają na stan uwilgotnienia oraz na niektóre właściwości gleby i całego profilu.

1. Wszystkie nawodnienia, z wyjątkiem ocieplających i ochronnych, zwiększają wydatnie wilgotność, co wpływa dodatnio na fizyczne i mechaniczne własności gleby.

Należy zaznaczyć, że silne nawilgocenie, okresowo występujące podczas każdego nawadniania, tylko w glebach ciężkich (gliny) rozluźnia spoistość cząstek, w glebach sypkich (piaski) przeciwnie − pod wpływem nawadniania zwięzłość wzrasta. Uwilgotnienie średnie, nie przekraczające polowej pojemności wodnej, pomaga łączeniu się cząstek gleby w złożone agregaty przez co powstają korzystne zmiany objętościowe (wzrost porowatości). Wyraźniejsze skutki strukturotwórcze występują w glebach zawierających materię organiczną.

2. Utrzymywanie wilgotności najodpowiedniejszej dla rozwoju roślin ułatwia jednocześnie uprawy mechaniczne, gdyż jak stwierdzono, stan uwilgotnienia gleby optymalny ze względu na uprawy (opory, jakość pracy narzędzi) prawie pokrywa się ze stanem optymalnym dla większości roślin.

3. Kolejne silne zwilżanie podczas polewu i intensywne przesychanie wierzchniej warstwy gleby w okresach między polewami, może wywołać w pewnych warunkach wysoce niekorzystne skutki w postaci wytworzenia się powierzchniowej skorupy, co pociąga za sobą konieczność dodatkowych upraw pielęgnacyjnych po każdym nawadnianiu.

4. Przy niektórych sposobach prowadzenia nawodnień (np. długotrwały zalew powierzchniowy, duża intensywność deszczowania) ulega zniszczeniu struktura gleby, szczególnie zaś rozpadają się gruzełki o średnicy kilku mm na drobniejsze agregaty. Dla przeciwdziałania tym zjawiskom można w nawodnieniach deszczownianych najpierw zwilżyć suchą glebę niewielką dawką, a następnie wprowadzić dawkę zasadniczą o większej intensywności.

W systemach nawodnień opartych na podsiąku kapilarnym, nie przeciążającym gleby powyżej polowej pojemności wodnej, obawy pogorszenia struktury są mniejsze.

5. Jeżeli podczas nawadniania woda przynosi na pole namuły, to odkładają się one na powierzchni, a częściowo mogą też być wmywane w głąb profilu. Zjawisko to nazywamy kolmatacją. Kolmatacja umiarkowana jest pożyteczna, natomiast kolmatacja nadmierna może nie tylko wpłynąć ujemnie na profil gleby, ale niekiedy przyczynić się do całkowitego wyłączenia pewnych obszarów z zasięgu nawodnień grawitacyjnych, wskutek spowodowania zmian wysokościowych powierzchni terenu.

6. Stosowanie nadmiernie wysokich dawek brutto (co jest związane ze specyfiką niektórych systemów, np. z zalewem) może powodować długotrwałe przewilgocenia profilu glebowego, zabagnienie się terenu własnego lub nawet obszarów sąsiednich, o ile wskutek braku należytego odpływu będzie się stale podnosił poziom wód gruntowych.

1.2. Zjawiska chemiczne

Nawodnienia wywołują też bardzo poważne zmiany w składzie chemicznym poszczególnych warstw profilu glebowego.

1. Przy nawodnieniach powierzchniowych woda w swej wędrówce w głąb profilu przenosi bardzo drobne cząsteczki i rozpuszczone sole mineralne, co może doprowadzić do powstania warstw nieprzepuszczalnych. Przyczyną tworzenia się takiego sztucznego poziomu iluwialnego jest koagulacja koloidów w obecności soli zasadowych (Ca), o ile znajdują się one w glebie − w rezultacie następuje zasklepienie się przestworów.

2. Woda używana do nawodnień zawiera zazwyczaj CO₂, różne sole mineralne oraz związki organiczne i stanowi rozpuszczalnik dla związków chemicznych gleby. Stosowanie wysokich dawek polowych może sprzyjać ługowaniu NPK i ubożeniu czynnej warstwy profilu. Stąd realizacja nawadniania wiąże się z potrzebą intensywniejszego nawożenia. Z drugiej strony uwilgotnienie gleby zwiększa przyswajalność wielu składników mineralnych (np. P₂O₅), dlatego podczas nawadniania lepiej wykorzystywane są zasoby pokarmowe.

3. Nawodnienia wywierają szczególny wpływ na procesy chemiczne w glebach strefy suchej. Za ich pomocą można wymywać nadmiar szkodliwych soli i zwiększać przez to miąższość czynnej warstwy gleby. Jeżeli jednak nie zapewni się należytego odwodnienia, to w warunkach dużego parowania pojawić się może tzw. wtórne zasolenie, wywołane wstępującym prądem wody kapilarnej, który ponownie przemieszcza rozpuszczone sole do wierzchnich warstw profilu.

4. Nawodnienia kształtują też odczyn gleby na ogół zmniejszając jej kwasowość. Dla większości roślin uprawnych, zależnie od typu gleby, dopuszczalne wartości pH leżą w dość szerokich granicach (5-8), jednak optimum kształtuje się w przedziale 6.0 - 6.5.

1.3. Zjawiska biologiczne

Nawodnienia oddziałują intensywnie na procesy biologiczne w glebie, ale zjawiska te są bardziej złożone i mniej rozpoznane niż opisane poprzednio zmiany fizyczne i chemiczne.

1. W klimatach suchych nawodnienia przyczyniają się do zahamowania tempa rozkładu resztek roślinnych (masy organicznej), co w tych warunkach jest raczej pożyteczne. Natomiast w klimacie umiarkowanym niektóre systemy nawodnień (np. zalewowy, podsiąkowy ze stałym poziomem wody) mogą powodować nasilenie procesów anaerobowych, co oczywiście nie jest pożądane, gdyż prowadzi do nadmiernej akumulacji materii organicznej.

2. Nawodnienia zwiększają dyfuzję CO₂ z gleby (działania następcze, świadczące o nasileniu procesów biochemicznych), sprzyjają rozwojowi mikroflory.

3. Najpoważniejsze zmiany biologiczne zachodzą w glebach nawadnianych ściekami miejskimi i przemysłowymi. Z badań w dolinie Neru, gdzie ubogie piaski aluwialne korzystają od kilkudziesięciu lat z nawożącego działania ścieków Łódzkiego Zespołu Miejskiego, wynika, że z gleb o niewykształconym profilu powstały nowe gleby, zbliżone w swych właściwościach do żyznych gleb próchniczych, posiadające zupełnie inną, niż gleby nie nawadniane, pojemność wodną, przepuszczalność itd..

2. Działanie nawodnień na mikroklimat

Wpływ nawodnień na mikroklimat przyziemnej warstwy powietrza i bilans cieplny powierzchni gleby zaznacza się szczególnie wyraźnie na obszarach niedostatecznego (stałego lub okresowego) uwilgotnienia, zależąc od sposobu gospodarowania doprowadzoną wodą.

Na polu nawadnianym występują następujące zjawiska w przyziemnej warstwie powietrza:

• obniżenie temperatur maksymalnych i podwyższenie temperatur minimalnych; w sumie dobowe amplitudy wahań termicznych zmniejszają się o kila stopni,

• obniżenie średnich dobowych temperatur o parę stopni,

• zwiększenie wilgotności względnej,

• zmniejszenie niedosytów wilgotności.

Zwiększenie wilgotności gleby nawadnianej powoduje wzrost jej pojemności oraz przewodnictwa cieplnego, co na tle bilansu energetycznego wywołuje:

• bardzo znaczne zmniejszenie dobowych amplitud termicznych w wierzchniej warstwie (nawet do głębokości 25-50 cm),

• obniżenie o kilka stopni średnich temperatur dobowych na tychże głębokościach.

W warunkach klimatycznych Polski ochładzające działanie nawodnień mogłoby odgrywać poważniejszą rolę tylko w okresach wyjątkowo upalnych, natomiast ogólne łagodzenie dobowych amplitud termicznych w okresie wegetacyjnym wydaje się pożyteczne. Również wykorzystanie działania ocieplającego dla ochrony przed przymrozkami miałoby szansę powodzenia. Niestety nie mamy na ten temat bezpośrednich wyczerpujących doświadczeń krajowych, które precyzowały by mikroklimatyczną rolę nawodnień w konkretnych siedliskach.

3. Działanie nawodnień na roślinność

Wpływ nawodnień na roślinność jest wypadkową dwóch działań:

• bezpośredniego, zachodzącego podczas nawadniania,

• pośredniego, ale dłużej trwającego, wywieranego przez nawodnione siedlisko.

1. W zespołach roślinnych na użytkach zielonych zarysowują się przede wszystkim zmiany gatunkowe, uzależnione od systemu nawodnień i jakości wody. Występuje zanikanie mchów na łąkach nawadnianych systemem zalewowym, notowane jest również cofanie się motylkowych, pojawiają się natomiast takie trawy, jak wyczyniec lub mozga trzcinowata, zwłaszcza w warunkach dostatecznej ruchliwości i żyzności wody. Za pomocą nawodnień można więc do pewnego stopnia regulować skład florystyczny użytku.

Innego rodzaju skutki obserwuje się w monokulturach polowych roślin uprawnych, w tym wypadku nawodnienia wpływają tylko na ilość i jakość produkowanej masy.

2. Z ogólnogospodarczego względu bardzo ważnym zagadnieniem jest ilość wody zużywana na produkcję masy roślinnej w warunkach nawodnień. Oszczędniejsza gospodarka wodna roślin na polu nawadnianym staje się obowiązującą regułą, przy zachowaniu należytej agrotechniki, odpowiedniego nawożenia i właściwego prowadzenia nawodnień.

3. Przy dostatecznym zaopatrzeniu roślin w wodę występuje w komórkach większy turgor, ciśnienie osmotyczne soku komórkowego jest niższe, aparat szparkowy dłużej otwarty w ciągu dnia i intensywniejsza asymilacja, w wyniku czego zwiększa się produkcja masy.

4. W profilu gleby nawadnianej, stale optymalnie uwilgotnionej, roślina nie ma potrzeby rozbudowywania swego systemu korzeniowego dla poszukiwania wody, wskutek czego zwiększa się stosunek wegetatywnych części nadziemnych do masy korzeniowej, co nie zawsze jest pożądane z punktu widzenia produkcji. Ponadto przy mniej rozwiniętym lub spłyconym systemie korzeniowym każde zaniechanie lub przerwa w niezbędnych nawodnieniach odbija się dotkliwie na rozwoju roślin, które w polu nawadnianym są bardziej czułe na okresowe niedobory wodne niż rośliny nie nawadniane.

5. Sumaryczny wpływ nawodnień na wielkość plonów zależy od naturalnych własności siedliska i poziomu kultury rolnej. W strefach suchych lub na stanowiskach o wydatnie ograniczonych zasobach wodnych produkcja roślinna bez nawodnień zwilżających jest zawodna lub w ogóle niemożliwa; nawodnienia nie tylko powodują tam kilkakrotny wzrost plonów lecz przede wszystkim zapewniają stabilizację produkcji roślinnej na określonym poziomie.

Mniej wyraźna i niejednoznaczna jest sprawa efektów nawadniania w strefie bezpośrednio nas interesującej, to znaczy w terenach chwiejnej równowagi bilansu wodnego. Przyrost plonu zależy tu nie tylko od gatunku i odmiany roślin, od rodzaju gleby i od uzupełnienia czynnika wodnego, ale w bardzo dużym stopniu od zespołu towarzyszących zabiegów agrotechnicznych. Stąd też spotkać można w literaturze rozbieżne opinie o celowości nawodnień w poszczególnych podregionach klimatu umiarkowanego.

Wyniki polowych badań doświadczalnych wskazują na pozytywne działanie nawodnień, racjonalnie stosowanych na glebach lekkich, nawet w klimacie dostatecznie wilgotnym.

Oceniając udział nawodnień zwilżających w przyroście produkcji roślinnej należy zawsze pamiętać, że o pozytywnych skutkach decydują nie tylko czynniki glebowe i klimatyczne, ale równolegle: jakość wody, sposoby nawodnień, dawki i terminy ich stosowania, nawożenie, agrotechnika itd. Ponadto przy planowaniu nawodnień uwzględniać trzeba dwa kryteria: celowość przyrodniczą i ekonomiczną. Analiza ekonomiczna jest niezbędna do wyboru najkorzystniejszego wariantu pod względem przyrodniczym i technicznym.

6. Nawodnienia wpływają nie tylko na ilość produkowanej masy roślinnej, ale także na strukturę i jakość plonów, podnosząc na ogół % części popielnych, przy czym jednak reakcja organów nadziemnych i podziemnych jest różna.

U roślin zbożowych zmienia się nieco stosunek ziarna do słomy (większa masa słomy), a w ziarnie zmniejsza się zawartość procentowa białka, co może mieć wpływ na wartość wypiekową mąki. W roślinach oleistych nawodnienia zwiększają procent tłuszczu. W przypadku roślin okopowych przy większych dawkach wody obserwowano zmniejszenie się procentowej zawartości skrobi w ziemniakach oraz cukru w burakach cukrowych.

Ze względu na przyrost masy całkowitej, przewyższający procentowe zmniejszenie zawartości białka, skrobi i cukru, w wyniku realizacji nawadniania uzyskuje się większe bezwzględne wartości plonów w/w składników.

4. Uwagi ogólne

Przegląd oddziaływania nawodnień na siedlisko szczegółowiej wyjaśnia i uzasadnia tezy o roli nawodnień w rolnictwie i pozwala na wysunięcie dwóch podstawowych stwierdzeń:

1. Nawodnienia są nie tylko bezpośrednim środkiem do uzupełnienia niedoborów wodnych i pokarmowych lub regulowania obiegu ciepła, ale są środkiem (pośrednim lub nawet bezpośrednim) do kierowania procesami w siedlisku roślin uprawnych, a więc należy je uznać jako melioracje podnoszące żyzność gleby i kształtujące całe środowisko przyrodnicze.

2. Nawodnienia oprócz przewidywanych, planowanych skutków dodatnich, mogą wywierać uboczne działania niekorzystne. Aby ograniczyć do minimum niepożądane zjawiska, należy zapewnić:

• prawidłową koncepcję projektową,

• należyte wykonanie urządzeń,

• prowadzenie racjonalnego rozrządu wody.

Ten ostatni postulat jest bodaj najważniejszy − techniczne walory samych urządzeń nawadniających nie powodują przyrostu plonów, o ile niewłaściwie gospodaruje się wodą.

Dla zapewnienia skuteczności nawadniania należy przestrzegać następujących zasad:

1. Dawka wody wprowadzona w czasie jednego nawadniania (tzw. dawka polewowa) zazwyczaj przekracza wielokrotnie bieżące zużycie wody i powinna stanowić możliwie duży zapas na okres między nawodnieniami. Nie należy jednak stwarzać w glebie dłużej trwającego nadmiaru wody.

2. Oprócz zbilansowania potrzeb wodnych i wielkości dawek w okresie wegetacyjnym, należy w harmonogramie nawodnień uwzględnić okresy krytyczne dla rozwoju roślin. W naszych warunkach klimatycznych często jedna dawka, niewielka lecz dostarczona w odpowiednim momencie, może decydować o plonie. Przeciwnie, jedna dawka dana nie w porę (np. deszczowanie zbóż w okresie kwitnienia), może zlikwidować potencjalnie korzystny wpływ zwilżania gleby.

3. Przy wszelkich nawodnieniach należy dbać o ruchliwość wody, aby zapewnić odnawianie się zapasu powietrza w glebie.

4. Należy ostrożnie nawadniać gleby ciężkie, skłonne do zabagnień, o ile w podłożu nie występuje naturalna warstwa drenująca. W glebach lekkich o dużej odciekalności i małej pojemności polowej konieczne jest stosowanie małych i częstych dawek, aby uniknąć zrzutów wody w głąb profilu.

Już te wskazania ogólne wyraźnie rysują specyficzne wymagania, jakie w naszych warunkach trzeba stawiać urządzeniom nawadniającym: − powinny to być systemy sprawne, łatwe w manewrowaniu, umożliwiające elastyczne gospodarowanie wodą, obliczone nie tylko na zapotrzebowanie średnie okresowe, ale przystosowane do skutecznej interwencji w krótkich okresach.

Obiekty nawadniane wymagają więc bardzo starannej konserwacji, a przede wszystkim właściwej eksploatacji, obsługi sieci podstawowej i szczegółowej oraz bieżącego sterowania rozrządem wody w dostosowaniu do zmiennych wymagań roślinności.

III. Klasyfikacja techniczna nawodnień

Dotychczas omówiono podział nawodnień, wysuwając na pierwsze miejsce cele rolnicze, które przede wszystkim decydować będą o wyborze odpowiedniego schematu technicznego i eksploatacyjnego. Obecnie zajmiemy się klasyfikacją techniczną. Kryteria systematyki nawodnień, uwzględniającej rozwiązania techniczne, są różne i istotnie w literaturze melioracyjnej nie ma w tym zakresie jednolitości.

Należy jednak sądzić, że prawidłowym punktem wyjścia do klasyfikacji technicznej nawodnień powinna być technika dostarczania wody do czynnej warstwy gleby i sposób jej rozprowadzania w profilu glebowym. Kierując się tym postulatem wyróżniono następujące kryteria decydujące o przynależności nawodnienia do danej jednostki klasyfikacyjnej:

1. Sposób dostarczania wody na teren nawadniany - rodzaje

2. Kierunek ruchu wody w obrębie nawadnianej warstwy gleby - grupy

3. Schemat hydrauliczny dostarczania wody do gleby - typy

4. Zasadnicze rozwiązania techniczne urządzeń - systemy

5. Szczegóły techniczne - odmiany

6. Szczegóły eksploatacyjne - formy

Biorąc pod uwagę sposób dostarczania wody na teren nawadniany wyróżniono dwa rodzaje nawodnień: grawitacyjne i mechaniczne (ciśnieniowe). Przedmiotem wykładów zamieszczonych w niniejszym skrypcie są tylko nawodnienia grawitacyjne.

Uwzględniając kierunek ruchu wody zasilającej profil glebowy, wyodrębniono dwie grupy nawodnień: podpowierzchniowe i napowierzchniowe.

W grupie nawodnień podpowierzchniowych nawadniana warstwa gleby h zasilana jest wstępującym prądem wody głównie przy udziale sił kapilarnych (rys. 1).

Rys. 1. Kierunek ruchu wody w nawodnieniach podpowierzchniowych

W grupie nawodnień napowierzchniowych nawadniana warstwa gleby h zasilana jest zstępującym prądem wody, głównie przy udziale siły ciężkości (rys. 2).

Rys. 2. Kierunek ruchu wody w nawodnieniach napowierzchniowych

Hydrauliczny schemat dostarczania wody określa typ nawodnień jako podstawową jednostkę klasyfikacyjną, której parametry w istotny sposób wyróżniają ją spośród innych jednostek.

Kierując się tym kryterium, w grupie nawodnień podpowierzchniowych wydzielono tylko dwa typy: podsiąkowe (rys. 3) i przesiąkowe (wgłębne) (rys. 4).

Rys. 3. Schemat hydrauliczny nawadniania podsiąkowego

Rys. 4. Schemat hydrauliczny nawadniania przesiąkowego (wgłębnego)

W grupie nawodnień napowierzchniowych, wydzielono następujące typy: zalewowe (rys. 5), nasiąkowe (rys. 6) i deszczowniane (rys. 7), przy czym te ostatnie należą do rodzaju nawodnień ciśnieniowych.

Rys. 5. Schemat hydrauliczny nawadniania zalewowego

Rys. 6. Schemat hydrauliczny nawadniania nasiąkowego

Rys. 7. Schemat hydrauliczny nawadniania deszczownianego

Zróżnicowania dalsze, wynikające z rozwiązań technicznych prowadzą do pojęcia systemu, a pewne drugorzędne szczegóły techniczne i eksploatacyjne pozwalają na wprowadzenie najniższych jednostek: formy i odmiany.

Szczegółowe charakterystyki poszczególnych systemów, odmian i form nawodnień omówione będą w dalszych wykładach.

Konfrontując proponowany podział techniczny z podziałem według celu można bezpośrednio wnioskować, które typy lub systemy nadają się do osiągnięcia głównego, założonego celu nawodnień. W ten sposób zdołamy prawidłowo ustalić kompleksowe przesłanki i założenia dla koncepcji projektowej jednocześnie w zakresie urządzeń podstawowych i szczegółowych.

Podział nawodnień przedstawiony powyżej obejmuje dotychczasowe rodzaje stosowane w melioracyjnej praktyce światowej, które można by nazwać ogólnie nawodnieniami przestrzennymi okresowego działania. Istotą koncepcji tych nawodnień jest okresowe i możliwie równomierne rozprowadzenie wody w danym środowisku, a więc na powierzchni terenu i w określonej warstwie gleby.

Pod koniec lat sześćdziesiątych dwudziestego wieku (1966 - 70) pojawiły się koncepcje nawodnień oparte o zasadę punktowego i ciągłego dostarczania wody. Zadaniem tych nawodnień nie jest równomierne zwilżanie całej powierzchni gleby celem zmagazynowania w profilu pewnej ilości wody, lecz tylko ciągłe doprowadzanie małych ilości wody do bezpośrednich punktów poboru przez system korzeniowy roślin. Techniczna realizacja nawodnień punktowych możliwa jest przy uprawie warzyw, krzewów i drzew owocowych w ramach typu nawodnień kroplowych.

Przedstawiony układ klasyfikacyjny pozwala:

• oprzeć systematykę szczegółowych urządzeń nawadniających na cechach istotnych, a nie na cechach drugorzędnych,

• sprowadzić bardzo liczne odmiany i formy nawodnień do kilu podstawowych schematów hydraulicznych, co znacznie ułatwia prace projektowe oraz porównywanie rozwiązań wariantowych,

• ustalić i przyjąć w ramach typów pewne charakterystyczne, wskaźnikowe wartości liczbowe dla zasadniczych parametrów (np. dopływy sekundowe), warunkujących konstrukcję i wymiary sieci, dzięki czemu ułatwione jest dostosowanie sieci urządzeń podstawowych do zadań sieci szczegółowej już w fazie projektu generalnego.

IV. Zasadnicze elementy sieci nawadniającej

Każda sieć nawadniająca składa się z zespołu urządzeń technicznych (rys. 8), który spełnia cztery zróżnicowane funkcje: magazynowania, ujęcia, doprowadzenia i rozprowadzenia wody.

Rys. 8. Schemat sieci nawadniającej

A₁ - A₃ - doprowadzalniki pierwszego rzędu, B₁ - B₆ - sieć rozdzielcza, doprowadzalniki drugiego rzędu, S - sieć szczegółowa, rowy nawadniająco-odwadniające, R₁ - R₆ - odprowadzalniki, rowy odwadniające, Z - budowle piętrzące, zastawki, G - granica nawadnianego obiektu

Stosownie do tych zadań wyróżniamy następujące główne elementy sieci nawadniającej:

1. Źródło wody - zbiornik odpowiedni pod względem położenia, ilości i jakości wody, zaopatrujący dany obiekt. Źródło wody może być zasilane przez wody atmosferyczne, powierzchniowe, wgłębne, a stanowi je np. rzeka, kanał odprowadzający wody zrzutowe, jezioro, sztuczny zbiornik wód powierzchniowych lub zbiornik wód wgłębnych.

2. Ujęcie wody - zespół budowli o dających możność poboru wody z danego źródła w określonej ilości, we właściwym czasie i przy zachowaniu wymaganej jakości. Ujęcie może być grawitacyjne lub z mechanicznym podnoszeniem wody.

3. Urządzenia doprowadzające - zespół budowli zapewniających należyty transport wody od ujęcia na obiekt nawadniany. Doprowadzenie wody realizowane jest za pomocą grawitacyjnych kanałów otwartych lub krytych albo za pomocą rurociągów pracujących pod ciśnieniem.

4. Urządzenia rozprowadzające - urządzenia dostarczające wodę do każdego punktu nawadnianej powierzchni.

Do urządzeń podstawowych zaliczamy budowle związane z magazynowaniem, ujęciem i doprowadzeniem wody, natomiast urządzenia rozprowadzające stanowią szczegółową sieć nawadniającą.

1. Źródła wody i jej magazynowanie

1.1. Podstawowe dane charakteryzujące źródło wody

Źródło wody ma decydujący wpływ zarówno na ogólne programowanie nawodnień, jak i na szczegóły rozwiązań technicznych. W większości krajów, a także i w Polsce, nawodnienia opierają się przeważnie na wodach powierzchniowych, ujmowanych bezpośrednio z rzek lub ze zbiorników retencyjnych naturalnych i sztucznych. Wody wgłębne ze względu na ilość, jakość i wysokie koszty eksploatacyjne wykorzystywane są w mniejszym stopniu. Niezależnie jednak od pochodzenia wody i rodzaju źródła, z którego przewiduje się jej ujęcie, już w fazie studiów wstępnych niezbędne jest zgromadzenie następujących danych podstawowych:

1. Sytuacja źródła wody. Odległość i położenie wysokościowe stanów zwierciadła wody w stosunku do terenu nawadnianego łącznie z zakładanym celem i systemem nawodnień rozstrzyga o grawitacyjnym lub mechanicznym ujęciu i doprowadzeniu wody do obiektu.

2. Zasoby wodne brutto. Jako parametry charakterystyczne służą tu:

• sumaryczna objętość wody (m³), którą przy określonym prawdopodobieństwie dane źródło jest w stanie dostarczyć w ciągu roku hydrologicznego,

• objętość wydatku, natężenia przepływów (m³⋅s^-1) i częstotliwość ich występowania w poszczególnych okresach roku hydrologicznego, a zwłaszcza w okresie projektowanych nawodnień.

3. Zasoby wodne dyspozycyjne. Objętości wody, które z danego źródła można pobrać w celach nawodnień są oczywiście z reguły mniejsze niż jego zasoby brutto. Pomijając bowiem konieczność pozostawiania w źródle pewnych ilości wody (np. w cieku tzw. przepływ biologiczny), należy się liczyć z potrzebami innych gałęzi gospodarki. Zasoby dyspozycyjne będą wyrażane w podobny sposób jak zasoby wodne brutto a więc jako:

• sumaryczna objętość w m³ przeznaczona w ciągu roku na nawodnienia,

• dopuszczalny pobór w m³⋅s^-1 w poszczególnych okresach roku.

4. Jakość wody w poszczególnych okresach roku. Ze względu na wzrastający udział wód zrzutowych w odpływie rzek, ścisłe badania jakości wód do nawodnień stają się coraz bardziej nieodzowne. Niezbędne jest zebranie danych o ilości i rodzaju zawiesin oraz składzie chemicznym i temperaturach wody.

Wymienione charakterystyki służą do zaprojektowania technicznych urządzeń nawadniających, przede wszystkim jednak są niezbędne już w fazie programowania optymalnego wariantu danej inwestycji nawadniającej.

1.2. Optymalna wielkość obiektu zasilanego z danego źródła

Znając parametry charakteryzujące źródło wody, obszar wymagający nawodnień w zasięgu źródła i przewidywane jednostkowe zapotrzebowanie wody, należy przeanalizować różne warianty rozwiązań i ustalić jak wielką powierzchnię byłoby celowe objąć inwestycją melioracyjną. Analizę taką rozpatrzymy biorąc przykładowo rzekę jako źródło wody do nawodnień.

Z obserwacji hydrologicznych w przedziałach np. dekadowych, należy wyznaczyć przebieg średnich dobowych przepływów brutto (Q­­_br m³⋅s^-1) w ciągu każdego roku z serii wieloletniej, obejmującej co najmniej 15 lat (rys. 9).

Rys. 9. Zmienność zasobów dyspozycyjnych źródła wody

Q_br - przepływ brutto, T - okres nawodnień, Q_d - średnie przepływy dyspozycyjne, Q_r - przepływy nienaruszalne w cieku

W zależności od celów nawodnienia ustala się szczególnie ważne przedziały czasu (T), w których trzeba mieć zapewnioną możność pobrania wody w wymaganej ilości q m³⋅s^-1 na 1 ha nawadnianego obiektu. Szczegóły obliczania miarodajnych wartości q podane będą w dalszych wykładach, do analizy wstępnej można przyjmować dane wskaźnikowe uogólnione, odnoszące się do przyjętego systemu nawodnienia i uwzględniające warunki glebowo-klimatyczne oraz rodzaj i poziom produkcji roślinnej.

Dla każdego roku w obrębie miarodajnego okresu T oblicza się średni dobowy przepływ dyspozycyjny Q_d m³⋅s^-1, to znaczy przepływ pozostający w korycie po uwzględnieniu tych rezerw Q_r , jakie należy przeznaczyć na wszystkie inne potrzeby poza nawadnianiem.

Dzieląc Q_d przez q wyznacza się dla każdego roku z badanej serii wieloletniej wielkości powierzchni f_i w ha, którą można by w pełni nawodnić z danego źródła w danym przedziale czasu i zapewnić przez to odpowiednio wysokie plony. Z szeregu wartości f_i można za pomocą metod statystycznych określić wielkość obszarów f_p, które przy zakładanych prawdopodobieństwach p% miałyby gwarancję pełnego zaopatrzenia w wodę.

1.3. Analiza możliwości i celowości magazynowania wody do nawodnień w zbiornikach retencyjnych

Z porównania przebiegu przepływów dyspozycyjnych Q_d w danym cieku i rozkładu zapotrzebowania wody do nawodnień Q_z może się okazać, że w niektórych przedziałach czasu występują między tymi wielkościami znaczne dysproporcje. Pomimo stwierdzenia ogólnej równowagi bilansowej, to jest w przypadku, gdy średnie wartości Q_d i Q_z z okresu nawodnień są sobie równe, zdarzają się momenty, w których bieżący przepływ nie pokrywa zapotrzebowania (rys.10). W tej sytuacji zachodzi konieczność przeanalizowania potrzeby wykonania zbiornika retencyjnego do magazynowania wody.

Rys. 10. Analiza potrzeby wykonania zbiornika do magazynowania wody.

Q_d - przepływy dyspozycyjne, Q_z - zapotrzebowanie wody w okresie nawodnień

Na podstawie wieloletnich obserwacji hydrologicznych należy w przedziałach dekadowych wyznaczyć średnie dobowe przepływy dyspozycyjne w profilu projektowanego zbiornika (Q_d m³⋅d^-1) i wykreślić krzywe sumowego przepływu ∑Q_d⋅Δt. Przykład w obrębie jednego okresu hydrologicznego podano na rysunku 11. Na wykres ten nanosi się również krzywe sumowego zapotrzebowania ∑Q_z⋅Δt wynikające z przyjętych założeń projektowych.

Rys. 11. Krzywe sumowanego dopływu i rozbioru wody do nawodnień

Z wykresów przedstawionych na rys. 11, sporządzonych dla poszczególnych lat z wieloletniej serii obserwacyjnej, należy ustalić przede wszystkim hydrologiczną potrzebę i realność budowy zbiornika.

1. Zbiornik będzie hydrologicznie potrzebny, gdy tg Z (Z - kąt nachylenia krzywej sumowego zapotrzebowania) będzie w którymkolwiek przedziale czasu większy od tg D (D - kąt nachylenia krzywej sumowego przepływu dyspozycyjnego). Warunek ten wynika z oczywistego faktu, że nachylenie stycznej do krzywej sumowanej przedstawia przepływ w jednostce czasu.

2. Zbiornik będzie hydrologicznie realny, jeśli w rozpatrywanym okresie końcowa rzędna krzywej sumowego zapotrzebowania nie przekroczy końcowej rzędnej sumowego przepływu dyspozycyjnego a więc gdy:

∑Q_z⋅Δt < ∑Q_d⋅Δt

Na rysunkach 11-13 przedstawiono trzy charakterystyczne przypadki przebiegu sum przepływu dyspozycyjnego i zapotrzebowania.

1. W sytuacji hydrologicznej odpowiadającej rysunkowi 11 zbiornik byłby możliwy do zrealizowania (∑Q_d⋅Δt > ∑Q_z⋅Δt), lecz konieczność jego budowy nie zachodzi - przepływ bieżący jest zawsze większy od zapotrzebowania (tg D > tg Z).

2. Inaczej kształtują się stosunki w przypadku rysunku 12. Tutaj istnieje hydrologiczna możliwość budowy zbiornika (w każdym momencie ∑Q_d⋅Δt > ∑Q_z⋅Δt), który byłby niezbędny w dwóch okresach: t₂-t₃ oraz t₆-t₇, gdy tg D < tg Z.

Rys. 12. Wyznaczenie objętości zbiornika z wyrównaniem sezonowym

Potrzebną objętość użyteczną zbiornika wyznaczyć można znajdując:

V'=V₂-V₃

V''=V₆-V₇

Większa z tych dwóch wartości będzie miarodajną objętością V_u. Zbiornik nie wymaga tu początkowego napełniania, wyrównanie następuje w obrębie okresu nawodnień, a rytm pracy byłby dwutaktowy:

napełnianie t₀-t_2­

pobór t₂-t₃

napełnianie t₃-t₆

pobór t₆-t₇

3. W przypadku trzecim (rys. 13) zbiornik będzie konieczny (w okresie t₁-t₃ tg D jest mniejszy od tg Z), ale przepływy bieżące rozpatrywanego okresu nie zapewniają wyrównania - w znacznym przedziale czasu ∑Q_d⋅Δt jest mniejsza od ∑Q_z⋅Δt. W tych warunkach gospodarkę wodną zbiornika należałoby prowadzić z wyrównaniem wieloletnim. W momencie t₀ trzeba rozpoczynać pracę ze zbiornikiem napełnionym, gromadząc odpowiednią rezerwę przed sezonem nawodnień.

Rys. 13. Wyznaczenie objętości zbiornika napełnianego przed okresem nawodnień

Niezbędna objętość użyteczna powinna wynosić :

V_u=V'=V₁+V₃

Napełnienie początkowe V₀, z którym zbiornik rozpocznie pracę musi być równe objętości V₃, odpowiadającej maksymalnej różnicy rzędnych krzywych sumowanych ∑Q­_z⋅Δt − ∑Q_d⋅Δt w momencie t₃.

Rytm pracy zbiornika będzie następujący:

dopełnienie t₀-t₁

pobór t₁-t₃

napełnienie t₃-t₇

Po wyznaczeniu użytecznych objętości V_u potrzebnych w okresie każdego cyklu nawodnień, należy z poszczególnych wartości dla serii wieloletniej utworzyć szereg rozdzielczy i obliczyć objętość V_p przy założonym prawdopodobieństwie p%. Objętość całkowita zbiornika uwzględniać musi ponadto: straty na parowanie, straty na filtrację, zapas na zamulanie, ewentualną rezerwę powodziową i tzw. zapas martwy, czyli objętość niedostępną do wykorzystania. Zbiorniki retencyjne w bardzo wielu krajach stanowią jedyne źródło wody, gdyż bieżące przepływy cieków od dawna nie wystarczają na pokrywanie rosnących potrzeb.

2. Ujęcia wody do nawodnień

Ujęcie stanowi zespół budowli służących do pobrania wody ze źródła i skierowania jej do doprowadzalnika zasilającego nawadniany obiekt. Ujęcie powinno zapewnić możność pobrania wody w odpowiednim do celu nawodnień czasie, ilości i jakości.

Wybór typu ujęcia i jego konstrukcja zależą od rodzaju źródła wody, celu nawodnień i sytuacji wysokościowej źródło-obiekt. Istotną rolę odgrywa też typ i system nawodnień. W projektowaniu należy więc rozpatrywać ujęcia w bardzo ścisłym powiązaniu z innymi elementami sieci nawadniającej.

Pomijając szczegóły konstrukcyjne omawiane podczas wykładów z przedmiotu ”Budownictwo wodne”, przedstawiono tu zagadnienie ujęć głównie od strony funkcjonalnej tych urządzeń, jako elementów sieci nawadniającej. Z tych względów nie przytoczono również ogólnej klasyfikacji ujęć, ograniczając się tylko do wskazania typów najczęściej stosowanych przy nawodnieniach.

2.1. Ujęcia z rzek

2.1.1. Ujęcia z mechanicznym podnoszeniem wody

Ujęcia te mogą być stosowane bez spiętrzenia rzeki, o ile pozwala na to układ sytuacyjno-wysokościowy i są dostateczne bieżące przepływy dyspozycyjne. Korzystniejsze, choć bardziej kosztowne jest ujęcie ze spiętrzeniem (jaz), dzięki czemu uzyskuje się pewną stabilizację stanów i rezerwę wody w zbiorniku wyrównawczym, co przyczynia się do ekonomiczniejszej pracy urządzeń podnoszących.

Ujęcie wyposażone w pompownię może przekazywać wodę do sieci nawadniającej w różny sposób, a mianowicie za pośrednictwem:

• doprowadzalnika grawitacyjnego prowadzącego wodę bezpośrednio na obszar nawadniany (rys. 14),

• rurociągu tłocznego zasilającego przejściowy zbiornik wyrównawczy, skąd woda transportowana jest grawitacyjnie na obiekt nawadniany (rys. 15),

• rurociągu tłocznego zasilającego sieć pracującą pod ciśnieniem (deszczownie) (rys. 16).

Rys. 14. Pompownia przekazująca wodę do sieci nawadniającej za pośrednictwem doprowadzalnika grawitacyjnego

Rys. 15. Pompownia przekazująca wodę do przejściowego zbiornika wyrównawczego zasilającego doprowadzalnik grawitacyjny

Rys. 16. Pompownia z rurociągiem tłocznym zasilającym bezpośrednio deszczownię

2.1.2. Ujęcia grawitacyjne

Ujęcia grawitacyjne mogą być wykonane bez piętrzenia wody w rzece lub ze spiętrzeniem.

Spośród licznych rozwiązań, stosowanych przy ujęciach bez piętrzenia, przytoczono tylko niektóre typowe schematy, najczęściej spotykane w melioracjach nawadniających, a mianowicie ujęcia brzegowe i kanałowe (rys. 17 i 18).

A B

C D

Rys. 17. Ujęcia grawitacyjne

A, B - ujęcia brzegowe, C, D - ujęcia kanałowe, D - doprowadzalnik, K_w - kanał wlotowy, K_p - kanał płuczący, O - osadnik, W - budowle wpustowe i regulujące

Rys. 18. Schemat ujęcia brzegowego przewodowego

1 - studnia zamknięć, 2 - wnęki zasuwy, 3 - mechanizm wyciągowy, 4 - krata, 5 - przewód doprowadzający, 6 - umocnienie płytami betonowymi, 7 - glinobton, 8 - bruk, 9 - narzut kamienny, 10 - chudy beton podłoża na podsypce

Ujęcia grawitacyjne bez piętrzenia mają tę niedogodność, że pobór wody w dużym stopniu zależy od zmiennych stanów w rzece, stąd znacznie pewniejsze w działaniu są ujęcia ze spiętrzeniem (rys.19 - 21). Ze względu jednak na poważny koszt budowli piętrzącej (zwłaszcza na większych rzekach nizinnych) decyzja powinna być poprzedzona szczegółową analizą wariantów, obejmujących całość rozwiązania projektu nawadniania danego obszaru.

Rys. 19. Najprostszy schemat ujęcia wody z rzeki ze spiętrzeniem

Jaz piętrzący z kierownicą K, upustem płuczącym i budowlą wpustową W na doprowadzalnik D

Rys. 20. Ujęcie z upustem dennym chroniącym doprowadzalnik przed zamuleniem

Jaz piętrzący z kierownicą K, upustem dennym i budowlą wpustową W na doprowadzalnik D

Rys. 21. Ujęcie z osadnikiem i kanałem płuczącym

2.2. Ujęcia ze zbiorników

Zależnie od położenia wysokościowego zbiornika i obiektu nawadnianego mogą tu być stosowane podobne rozwiązania, jak opisane poprzednio przy ujęciach z rzek, ponieważ jednak zbiornik spełnia rolę osadnika, zamulanie doprowadzalników nie stanowi większego problemu i konstrukcje ujęć mogą być prostsze.

2.3. Ujęcia wód gruntowych

W niektórych krajach nawodnienia sporych obszarów korzystają z zasobów wód wgłębnych. Tak np. USA około 15% wody używanej do nawodnień pochodzi z wód wgłębnych, a 30% powierzchni bazuje na tych wodach, w Indii około 20% powierzchni nawadniane jest ze studzien.

Możliwości poboru wody wgłębnej do nawodnień są jednak dość ograniczone, mianowicie gdy:

• poziomy wodonośne zalegają głęboko i nie tylko koszty instalacji lecz przede wszystkim pompowania są znaczne,

• wydajność jednego otworu jest mała i występują obawy wyczerpania zbiornika podziemnego,

• skład chemiczny wody stwarza potencjalne zagrożenie gleb wskutek zasolenia.

Bezsporną zaletą wód wgłębnych bywa zwykle bliskość tego źródła w stosunku do obszaru nawadnianego. W hydrologicznych warunkach naszego kraju szersze wykorzystanie wód wgłębnych do nawodnień będzie raczej niewskazane. Źródła te winny przede wszystkim być przeznaczone na cele komunalne.

V. Doprowadzenie wody na obiekt nawadniany i budowle na sieci doprowadzającej

1. Rodzaje doprowadzalników

Sposób doprowadzania wody do granic nawadnianego obiektu i poszczególnych jego części zależy od :

• celu i systemu nawodnienia,

• sytuacji wysokościowej obiektu i poziomów wody na ujęciu,

• typu projektowanego ujęcia,

• ilości i jakości prowadzonej wody (namuły, temperatura, skład chemiczny).

Jeżeli poziom roboczy zwierciadła wody w źródle (po uwzględnieniu straty ciśnienia na ujęciu) leży dostatecznie wysoko w stosunku do poziomu wody niezbędnego na obiekcie nawadnianym to wodę można doprowadzić grawitacyjnie:

• przewodem otwartym, przy istnieniu spadku co najmniej 0,3‰,

• przewodem zamkniętym, przy istnieniu spadku co najmniej 3‰.

W przypadkach, gdy sytuacja wysokościowa źródła wody nie pozwala bezpośrednio na powyższe rozwiązanie, stosowane są ujęcia z mechanicznym podnoszeniem wody, co umożliwia:

• doprowadzenie grawitacyjne (kanałem otwartym lub przewodem zamkniętym),

• doprowadzenie przewodem tłocznym, rurociągiem pracującym pod ciśnieniem wytworzonym przez pompę.

Wymienione elementy sieci nawadniającej, kanały i przewody służące do transportu wody nazywane są ogólnie doprowadzalnikami.

Najpowszechniej stosowanym typem doprowadzalników są otwarte kanały ziemne; nie stawiają one w zasadzie ograniczeń co do wielkości przepływu i nie wymagają dużych spadków. Przewody rurowe, zwłaszcza tłoczne, używane są rzadziej i przeważnie do nawodnień deszczownianych. Trzeba jednak zaznaczyć, że zakres stosowania rurociągów w związku z nowymi tworzywami wprowadzonymi do techniki nawodnień obecnie bardzo szybko wzrasta.

Uwzględniając przede wszystkim zróżnicowania funkcjonalne można wyodrębnić następujące rodzaje doprowadzalników:

1. Kanał nawadniający zajmuje osobną pozycję - nazwą tą oznaczamy wyłącznie kanał otwarty, który obok transportu wody na dalsze odległości spełnia rolę bezpośredniego źródła wody dla poszczególnych obiektów w obrębie większego obszaru, rejonu geograficznego lub gospodarczego, zasilanego tym kanałem. Do kanałów nawadniających zalicza się więc urządzenia duże, prowadzące przepływy rzędu kilkunastu do kilkuset m³⋅s^-1 i osiągające też znaczną długość, nieraz do kilkuset kilometrów. Przykładem tego rodzaju doprowadzalnika jest Kanał Wieprz-Krzna.

2. Doprowadzalnik główny - prowadzi bezpośrednio wodę od ujęcia do nawadnianego obiektu, często przechodzi przez grunty obce i ma za zadanie transportowanie wody z jak najmniejszymi stratami do węzłów rozbioru, zasilających dalsze elementy sieci.

3. Doprowadzalniki boczne (drugiego i niższych rzędów) pobierają wodę z doprowadzalnika głównego i dostarczają do granic poszczególnych pól obiektu.

4. Z doprowadzalników bocznych woda może być kierowana na pola do szczegółowych urządzeń nawadniających w dwojaki sposób:

• bezpośrednio,

• za pośrednictwem drobniejszej sieci rozdzielczej.

5. Ostatnim ogniwem jest szczegółowa sieć rozprowadzająca, która dostarcza wodę do każdego punktu pola i profilu glebowego.

W obrębie nawadnianego obszaru, oprócz kanału nawadniającego, wyróżniamy więc:

• sieć doprowadzającą (pozycje 2 i 3),

• sieć rozdzielcza (pozycja 4),

• sieć rozprowadzającą, czyli szczegółową (pozycja 5).

Każda sieć ma swoiste cele, określony rytm pracy i wymagania techniczne. Wymiary poszczególnych ogniw sieci zależą od systemu nawodnień i wielkości dawki nawadniającej oraz od rzeczywistej wielkości powierzchni nawadnianej, to jest powierzchni jednocześnie obsługiwanej przez dany doprowadzalnik. Wielkość tej powierzchni decyduje o objętości przepływu w doprowadzalniku. Ze względu na płodozmian i harmonogram nawodnień powierzchnia jednocześnie nawadniana - jako pojęcie eksploatacyjne - jest w określonym przedziale czasu z reguły mniejsza od całkowitej powierzchni obiektu nawadnianego, to jest powierzchni wyposażonej w urządzenia nawadniające. Należy więc rozróżnić pojęcie powierzchni w kategoriach eksploatacyjnych i inwestycyjnych.

Właściwa sieć doprowadzająca (poz. 2 i 3), która należy do urządzeń podstawowych, zaopatruje zazwyczaj większy obszar o różnym użytkowaniu. Z tego względu doprowadzalniki główne pracują przeważnie przez cały okres nawodnień w sposób ciągły i przy stosunkowo dużych przepływach. Pożądane jest, aby przepływ w doprowadzalniku głównym był możliwie ustabilizowany, niekiedy jednak doprowadzalnik musi prowadzić zmienne ilości wody, wynikające z okresowego zróżnicowania potrzeb wodnych. Doprowadzalniki boczne, niższych rzędów, pracują najczęściej z pewnymi przerwami i prowadzą mniejsze przepływy.

Sieć rozdzielcza (poz. 4) pobiera wodę z doprowadzalników i zaopatruje w obrębie obiektu mniejsze jednostki powierzchni, przeważnie jednolicie użytkowane. Sieć ta pracuje z przerwami przy stosunkowo małych przepływach, które można dobrać jako stałe, kierując wodę kolejno na poszczególne kwatery.

Sieć szczegółowa (poz. 5) zasilana z sieci rozdzielczej obsługuje najmniejsze jednostki powierzchni, pokryte wyłącznie jedną roślinnością. Sieć ta doprowadza wodę do każdego punktu pola, pracuje na ogół bardzo krótko (nieraz rzędu dziesiątków minut) ze znacznymi przerwami pomiędzy nawodnieniami. Przepływy są tu stałe i niewielkie, w niektórych systemach rzędu kilku l⋅s^-1 lub nawet mniej.

2. Trasa i profil podłużny doprowadzalników

2.1. Trasa

Doprowadzalniki do nawodnień grawitacyjnych winny być poprowadzone w ten sposób, aby zwierciadło wody układało się w nich odpowiednio wysoko ponad najwyższą rzędną zwierciadła wody, wymaganą na obszarze nawadnianym. Doprowadzalniki główne zasilające obszary, które są nawadniane za pomocą systemów napowierzchniowych, biegną więc od ujęcia do granic obiektu po wyższych miejscach terenu, z możliwie najlepszym, tj. równomiernym wykorzystaniem spadku. Doprowadzalniki boczne leżące wewnątrz obiektu, należy kierować tak, aby obsługiwały o ile możności największe powierzchnie. Zazwyczaj trasy tych doprowadzalników prowadzone są wzdłuż lokalnych linii wodociągowych, a trasy rowów osuszających dolinami wzdłuż linii ściekowych (rys. 22).

Rys. 22. Schemat rozplanowania sieci doprowadzalników wewnątrz obiektu

nawadnianego za pomocą systemów napowierzchniowych

W systemach nawodnień podpowierzchniowych, zwłaszcza w terenach płaskich, warunek ten nie jest niezbędny. Na przykład przy nawodnieniach podsiąkowych można uzyskać podniesienie zwierciadła wód gruntowych piętrząc wodę w rowach odwadniających i odpływowych (rys. 23). Rowy te, prowadzone miejscami najniższymi, kotlinami, spełniają po spiętrzeniu rolę doprowadzalników, przekazujących wodę do sieci szczegółowej. Trzeba jednak podkreślić, że rozwiązanie takie jest pod względem eksploatacyjnym mało elastyczne i nie nadaje się do intensywnej gospodarki rolniczej.

Prawidłowo zaprojektowana sieć doprowadzająca powinna na jednostkę transportowanej wody wykazywać korzystne wskaźniki ekonomiczne, które warunkują następujące charakterystyki techniczne:

• długość doprowadzalnika,

• przekrój poprzeczny i kubatura robót ziemnych,

• umocnienia i uszczelnienia,

• budowle na trasie,

• straty wody na filtrację,

• powierzchnia produkcyjna zajęta przez doprowadzalnik.

Rys. 23. Schemat rozplanowania sieci doprowadzalników wewnątrz obiektu

nawadnianego za pomocą systemów podpowierzchniowych

Przy projektowaniu nie można ograniczyć się jedynie do badania wariantów trasy na odcinku ujęcie - granica obszaru nawadnianego. Należy zwrócić uwagę, że układ sieci rozdzielczej wewnątrz nawadnianego obszaru też wpływa na układ doprowadzalników wewnętrznych i zewnętrznych. Przykład na rysunku 24 wskazuje na dwa możliwe rozwiązania:

a/ krótką sieć doprowadzającą i długą rozdzielczą,

b/ długi doprowadzalnik przy krótkich rowach rozdzielczych.

A

B

Rys. 24. Różne sytuacje sieci doprowadzającej i rozdzielczej

A - doprowadzalnik krótki, sieć rozdzielcza długa,

B - doprowadzalnik długi, sieć rozdzielcza krótka

Duże kanały nawadniające, prowadzące przepływy rzędu kilkudziesięciu m³⋅s^-1, muszą być projektowane z zachowaniem zasad obowiązujących przy regulacji rzek.

Trasy doprowadzalników głównych i bocznych, prowadzących mniejsze ilości wody, biegną w liniach prostych. Na zmianach kierunków stosowane są zwykle łuki kołowe o promieniu równym 2,5 - 10 krotnej szerokości zwierciadła wody.

Doprowadzalniki boczne dochodzą do doprowadzalnika głównego pod kątem 60°, gdy pobór wody na rozgałęzieniu w stosunku do przepływu głównego jest znaczny. Przy poborach małych ilości wody, zwłaszcza gdy na wlocie do doprowadzalnika bocznego jest budowla regulująca, rozgałęzienie może być usytuowane pod kątem prostym.

2.2. Profil podłużny

Położenie zwierciadła wody w sieci doprowadzającej zależy od przyjętego typu nawodnień. Nawadnianie zalewowe wymagać będzie zwierciadła wody na rzędnej wyższej o kilkadziesiąt cm od średniej rzędnej terenu na kwaterze, przy nawadnianiu stokowym może natomiast wystarczyć spiętrzenie wody na kilka cm nad powierzchnię najwyższego punktu terenu, a przy podsiąkowym uzyskanie zwierciadła wody na głębokości 20 cm pod terenem jest wystarczającym rozwiązaniem.

Niewątpliwie ze względu na dogodność manewrowania wodą i łatwość pomiaru przepływu byłoby pożądane utrzymywanie zwierciadła wody w każdym punkcie rozdzielczym sieci nawadniającej możliwie wysoko. Ponieważ jednak z wysokością piętrzenia rosną koszty doprowadzenia wody, projektowanie profilu podłużnego musi być więc równie wnikliwie i kompleksowo opracowane jak projektowanie trasy.

Na położenie zwierciadła wody w doprowadzalniku, oprócz typu i systemu nawodnień, wpływa również przyjęty wariant eksploatacyjny i sposób rozrządu wody.

Doprowadzalnik główny może obsługiwać poszczególne doprowadzalniki boczne kolejno według określonej rotacji lub też zaopatrywać je w wodę równocześnie i stale w ciągu okresu nawodnień. Ponadto pobór wody z doprowadzalnika głównego może być zaprojektowany z zastosowaniem urządzeń piętrzących lub bez nich. Również wloty na doprowadzalniki boczne mogą być z regulacją dopływu lub bez regulacji.

Okoliczności te rzutują na wielkość strat spadku hydraulicznego i profil zwierciadła wody w doprowadzalniku.

W dowolnym punkcie węzłowym sieci doprowadzającej rzędna zwierciadła wody powinna osiągnąć wartość H_i, obliczoną z następującej formuły roboczej:

gdzie:

H₀ - rzędna zwierciadła wody niezbędna w sieci szczegółowej na obszarze zasilanym z danego węzła sieci doprowadzającej.

h₀ - strata ciśnienia na wprowadzenie wody z sieci rozdzielczej do sieci szczegółowej danego pola. Wysokość ta zazwyczaj jest nieduża w granicach 5-10 cm.

∑ h - suma strat ciśnienia na wszystkich budowlach regulujących, które znajdują się na trasie między polem a rozpatrywanym punktem doprowadzalnika. Zwykle pojedyncza wartość h wynosi 5-15 cm.

l - długość poszczególnych odcinków sieci zasilającej z danego punktu węzłowego.

J - spadki podłużne tych odcinków.

Po ustaleniu w poszczególnych węzłach doprowadzalnika miarodajnych rzędnych zwierciadła wody, należy nanieść je na profil podłużny (rys.25).

Rys. 25. Schemat hydrauliczny ustalania rzędnych zwierciadła wody H w poszczególnych punktach rozbioru wody w doprowadzalnikach

Projektowanie profilu podłużnego i wymiarowanie doprowadzalników wykonuje się przy założeniu ustalonego ruchu równomiernego, przyjmując spadek zwierciadła wody równy spadkowi dna. Trzeba podkreślić, że to nie zawsze będzie słuszne. Wskutek regulowania poziomów i zróżnicowania rozbiorów wody, mogą zdarzać się przypadki, że pewne odcinki sieci okresowo pracują w warunkach ruchu nierównomiernego, gdy zwierciadło wody układa się według krzywej depresji lub krzywej piętrzenia. Ponadto w doprowadzalnikach pracujących okresowo występuje po otwarciu zasuw wlotowych fala wody, przesuwająca się z dużą prędkością do momentu osiągnięcia normalnego napełnienia.

Zjawiska te rzutują na profil ogroblowania, umocnienie dna i skarp oraz na rodzaj budowli regulujących.

Połączenia doprowadzalników niższego i wyższego rzędu mogą być różne. Zazwyczaj dno elementu bocznego wykonuje się na poziomie dna elementu doprowadzającego. Taki układ zapewnia nawadnianie przy zmiennych napełnieniach doprowadzalnika oraz ułatwia transport namułów aż do sieci szczegółowej i na pola (rys. 26a).

Rys. 26. Połączenia doprowadzalników

a/. - przy zmiennych stanach wody w doprowadzalniku głównym,

b/. - przy stałym i dostatecznie wysokim stanie wody w doprowadzalniku głównym,

c/. - przy wysoko leżącej niwelecie dna doprowadzalnika głównego

Jeśli stany wody i przepływy doprowadzalnika wyższego rzędu są w okresie nawodnień stałe, to doprowadzalnik boczny pobierający tylko część przepływu głównego może mieć dno położone wyżej (rys. 26b). Przy tym rozwiązaniu, oszczędnym z uwagi na kubaturę robót ziemnych i wielkość budowli wpustowej, nasuwają się obawy zamulenia dna przed wlotem.

W sieci rozdzielczej dno elementu bocznego może leżeć poniżej dna elementu zasilającego (rys. 26c), jeżeli prowadzi on dostateczne ilości wody przy niewielkich napełnieniach, a warunki topograficzne pozwalają na ten układ.

3. Rodzaje budowli na doprowadzalnikach

Budowle na sieci doprowadzającej spełniają wiele zadań związanych z realizacją celu nawadniania. Ze względu na zasadnicze wykonywane funkcje, można wyróżnić następujące rodzaje urządzeń i budowli:

• urządzenia regulujące wydatek i poziom wody na poszczególnych odcinkach doprowadzalnika głównego. Do tych budowli należą: jazy i zastawki piętrzące oraz przelewy awaryjne i spusty do opróżniania doprowadzalnika,

• urządzenia regulujące prędkość wody, a więc stopnie i osadniki,

• urządzenia do przeprowadzania wody przez przeszkody (akwedukty, syfony),

• urządzenia do poboru wody i przekazania jej na sieć boczną; ujęcia te mogą być grawitacyjne lub mechanicznym podnoszeniem,

• urządzenia do pomiaru i rejestracji objętości przepływu,

• urządzenia komunikacyjne: mosty, kładki, przepusty.

Zwykle jedna budowla mogłaby spełniać parę funkcji, oczywiście pod warunkiem indywidualnego zaprojektowania poszczególnego obiektu i przystosowania go do sprawnego, równoczesnego wykonania przewidzianych zadań. Ze względu jednak na dużą ilość budowli niezbędnych w każdej sieci nawadniającej, zachodzi konieczność zarówno typizacji w obrębie rodzajów, jak i stosowania elementów prefabrykowanych w obrębie typów. W związku z tym niejednokrotnie może się okazać bardziej celowe zrezygnowanie z jednolitej blokowej budowli wielozadaniowej i wykonanie węzła złożonego z kilku funkcjonalnie osobnych, lecz typowych członów.

Budowle wodne są szczegółowo omawiane w podręcznikach i publikacjach dotyczących budownictwa wodnego, dlatego w niniejszym wykładzie ograniczono się tylko do ogólnego zarysu klasyfikacji funkcjonalnej.

VI. Sprawność działania i straty przepływu w sieci doprowadzającej

1. Współczynnik sprawności doprowadzalników

W każdej sieci doprowadzającej występują mniejsze lub większe straty wody na trasie od ujęcia do pola nawadnianego. W otwartych doprowadzalnikach grawitacyjnych straty mogą być poważne, a powstają one wskutek:

• filtracji przez dno i skarpy kanału,

• parowanie z wolnej powierzchni wody,

• ucieczki wody przez nieszczelne budowle regulujące,

• zrzutu części wody niewykorzystanej podczas danego cyklu nawadniania.

Ograniczanie strat jest ważnym zagadnieniem techniczno-ekonomicznym, występującym zarówno w fazie projektowania, jak i w trakcie eksploatacji.

Pomimo stosowania środków zabezpieczających straty w sieci są nieuniknione, a ilości wody pobierane na ujęciu muszą być większe od zapotrzebowania netto.

Wymiary poszczególnych odcinków doprowadzalnika należy projektować na przepływ brutto, który równa się przepływowi potrzebnemu w określonym punkcie sieci, zwiększonemu o pozycję strat występujących na długości danego odcinka.

Sprawność pojedynczego doprowadzalnika, jako elementu sieci (rys. 27), można scharakteryzować w sposób następujący. Oznaczając przez:

Q_br - przepływ brutto na początku doprowadzalnika (m³⋅s^-1),

Q_n - przepływ netto na końcu doprowadzalnika (m³⋅s^-1),

L - odległość między rozpatrywanymi punktami, długość doprowadzalnika (km).

Strata przepływu w m³⋅s^-1 na odcinku L kilometrów wynosi:

Wyrażając tę stratę w stosunku do przepływu brutto i długości doprowadzalnika otrzymamy współczynnik strat:

Rys. 27. Schemat obliczania strat w pojedynczym doprowadzalniku

Współczynnik σ_br przedstawia więc procentową wielkość strat na jednym kilometrze długości odniesioną do początkowego przepływu w doprowadzalniku. Wartość współczynnika strat zależy od kształtu i wymiarów kanału, wielkości przepływu, przepuszczalności gruntu, rytmu pracy doprowadzalnika, rodzaju uszczelnień itd.

Przy znanej wartości współczynnika strat można obliczać sumaryczne straty w doprowadzalniku o znanej długości L i przepływie Q_br z następującej zależności:

[m³⋅s^-1]

i przedstawić związek miedzy przepływem końcowym (Q_n) i początkowym (Q_br) w postaci:

Stosunek przepływu netto do przepływu brutto nazywamy współczynnikiem sprawności doprowadzalnika:

Współczynnik sprawności charakteryzuje pracę doprowadzalnika; im bliższy jest on jedności tym mniejsze są straty wody, tym lepsze będzie funkcjonowanie sieci nawadniającej.

Mając dany przepływ netto możemy również obliczyć niezbędny przepływ brutto z następującej zależności:

gdzie σ_n oznacza wartość współczynnika strat odniesioną do znanego przepływu netto Q_n, według wzoru:

Współczynnik sprawności wyrażony będzie wtedy wzorem:

Z przytoczonej metody obliczania strat i współczynnika sprawności według założonego z góry współczynnika σ, korzystamy na ogół tylko w fazie projektu wstępnego, gdy nie znane są jeszcze wszystkie parametry doprowadzalnika. Dokładność tej metody, jak zresztą wszelkich metod wskaźnikowych z obieralnymi współczynnikami, nie jest duża i otrzymujemy w zasadzie tylko przybliżone, orientacyjne wartości. Po zaprojektowaniu ostatecznego kształtu, wymiarów i uszczelnień doprowadzalnika należy wyznaczyć straty i sprawność w sposób ściślejszy, z uwzględnieniem konkretnych warunków jego pracy.

Sprawność sieci nawadniającej jako całości (rys. 28) nie może być tak jednoznacznie określona jak sprawność pojedynczego elementu.

Zazwyczaj na nawadnianym obiekcie jednocześnie pracuje tylko część sieci doprowadzającej, obsługując kolejno poszczególne pola lub zespoły pól. W doprowadzaniu i rozprowadzaniu wody, zależnie od planu nawodnień, bierze więc udział sieć o zmiennej długości i przepływach, wobec czego straty oraz współczynniki sprawności całego systemu mogą być w różnych okresach użytkowania znacznie zróżnicowane.

Rys. 28. Schemat obliczania strat w sieci złożonej

l₃, l₅, l₆ - trasy zasilania bezpośredniego, l₁, l₂, l₄ - trasy tranzytowe, q_i - przepływy netto w danym węźle, S_i - straty na długości l_i

W fazie projektowania można stosować następujący, przybliżony sposób wyznaczania współczynnika sprawności sieci. Zakładając, że w danych warunkach znany jest współczynnik strat σ_i% oraz oznaczając przez q_i przepływ netto, niezbędny na końcu rozpatrywanego odcinka sieci o długości l_i można obliczyć stratę s_i na tym odcinku:

Jeśli pracuje jednoczenie kilka doprowadzalników bocznych obsługujących n pól, to łączny przepływ Q_br, który trzeba pobrać na ujęciu, równa się sumie przepływów netto zwiększonej o sumę wszystkich strat występujących zarówno na n trasach zasilania bezpośredniego - odcinki l₃, l₅, l₆ (rys. 28), jak i na m trasach tylko tranzytowych - odcinki l₄, l₂, l₁ (rys. 28) prowadzących wodę do węzłów rozbioru.

Uwzględniając wzór na pojedynczą stratę s_i otrzymamy:

Współczynnik sprawności dla danej części sieci wyniesie:

Ponieważ sposób i kolejność nawadniania może być różnie realizowana, dlatego współczynnik sprawności całej sieci jest w okresie nawodnień zmienny. Zależy od lokalizacji pól jednocześnie nawadnianych. Współczynnik σ_i% wzrasta przy mniejszych przepływach, a największe straty i najmniejsze sprawności występują gdy:

• pola jednocześnie nawadniane są rozproszone po całym obiekcie,

• liczne doprowadzalniki pracują z przerwami i na małych przepływach.

Przeciwnie, koncentracja powierzchni pól jednocześnie nawadnianych w zwarte kompleksy zmniejsza straty w sieci doprowadzającej. Projektując doprowadzalniki należy więc uwzględniać warianty eksploatacyjne, wybierając rozwiązania zapewniające minimum strat i dające największe wartości współczynnika sprawności.

Ze względu na dużą zmienność strat, których w fazie projektowania nie można ściśle obliczyć, należy podczas użytkowania obiektu prowadzić stałą kontrolę funkcjonowania sieci, mierząc przepływy w poszczególnych węzłach rozbioru wody.

Przy znanym poborze wody na ujęciu Q_br należy określić sumę strat Σs na doprowadzalnikach oraz sumę dopływu netto Σq dostarczonego na obszar jednocześnie nawadniany.

Rzeczywisty współczynnik sprawności wyrazi się wzorem:

Znajomość realnych strat i współczynników sprawności sieci umożliwi podjęcie środków dla oszczędnego gospodarowania wodą. Według Kostiakowa współczynniki sprawności powinny przekraczać wartości 0,70 - 0,75 dla sieci głównej i 0,75 - 0,80 dla doprowadzalników bocznych. W ocenie sprawności sieci nawadniającej należy uwzględnić fakt, że w sieci nowej straty są na ogół większe niż w sieci funkcjonującej dłuższy czas, ponieważ z czasem następuje pewne samouszczelnianie się kanałów.

2. Straty na filtrację

Wielkość strat filtracyjnych w doprowadzalnikach zależy od:

• właściwości gruntu: porowatość, filtracja i kapilarność,

• położenia zwierciadła wody gruntowej pod dnem doprowadzalnika,

• kształtu i wymiarów doprowadzalnika,

• rodzaju ewentualnych uszczelnień,

• charakteru pracy doprowadzalnika: ciągły czy przerywany.

Zjawisko przesiąkania wody z doprowadzalników w głąb gruntu jest bardzo złożone. Ruch wody odbywa się tam przy różnym stopniu nasycenia wodą ośrodka gruntowego. W przypadku głębokiego zalegania wód gruntowych mamy do czynienia z ruchem wody w strefie nienasyconej, gdzie znajomość samego tylko współczynnika filtracji nie wystarcza do ścisłego określenia strat - prędkości wsiąkania są zmienne w czasie i w przestrzeni. Jeżeli zwierciadło wód gruntowych zalega płytko pod dnem doprowadzalnika, sytuacja jest równie trudna - ruch wody odbywa się częściowo w strefie nasycenia (współczynnik filtracji stały), a częściowo w strefie nienasyconej, jest więc ruchem nie ustalonym ze zmienną krzywą dyspersji.

Straty na przesiąki będą na ogół większe przy głębokim położeniu wód gruntowych niż w warunkach ich płytkiego występowania.

Doprowadzalniki pracujące okresowo, np. z kilkugodzinnymi przerwami w ciągu doby mają straty większe niż doprowadzalniki ciągłego działania; prędkości wsiąkania w ośrodku nienasyconym są zawsze większe niż współczynnik filtracji tegoż ośrodka nasyconego.

W małych kanałach prowadzących mniej wody niż 50 l⋅s^-1 współczynniki strat są znaczne; w kanałach o dużym przepływie, jakkolwiek wielkość strat rośnie, to jednak straty procentowe wydatnie maleją. Te prawidłowości są ważną wskazówką dla projektowania sieci doprowadzającej.

Określone przez Kostiakowa orientacyjne wartości współczynnika strat na filtrację zestawiono w tabeli 1.

W systemach nawadniających Polski prawie z reguły, doprowadzalniki pracują w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych. Dla obliczeń wstępnych mamy tu następującą formułę empiryczną na współczynnik strat:

[% na 1 km],

gdzie:

Q - przepływ [m³⋅s^-1],

k - współczynnik filtracji [m⋅d^-1]

c - współczynnik zmniejszający zależny od wielkości przepływu i głębokości wody gruntowej pod dnem kanału (tab. 2).

Tabela. 1. Orientacyjne wartości współczynnika strat na filtrację (σ% na 1 km) w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych według Kostiakowa

Przepływ [m^3⋅s^-1]	Grunty
		Bardzo przepuszczalne	Przepuszczalne	Średnio przepuszczalne	Słabo przepuszczalne
0,05	49,2	14,2	9,3	5,1
0,10	34,8	10,0	6,6	3,6
0,50	15,5	4,5	2,9	1,6
1,00	11,0	3,2	2,1	1,1
5,00	4,9	1,4	0,9	0,5
10,00	3,5	1,0	0,7	0,4

Przedstawiony schemat strat z doprowadzalników w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych odpowiada najprostszemu przypadkowi filtracji. W naturze mogą się zdarzyć bardziej skomplikowane schematy hydrauliczne ze względu np. na: zróżnicowanie współczynnika filtracji w obrębie warstwy przewodzącej wodę, znaczne pochylenie nieprzepuszczalnego podłoża i in.

Tabela 2. Wartości współczynnika zmniejszającego (c)

Q m^3⋅s^-1	Głębokość wody gruntowej w m
		1	3	5	10
0,3	0,82	1,00	1,00	1,00
1,0	0,63	0,78	1,00	1,00
3,0	0,50	0,63	0,82	1,00
10,0	0,41	0,50	0,65	0,91
20,0	0,36	0,45	0,57	0,82

3. Inne straty z doprowadzalników

W warunkach klimatycznych Polski straty na parowanie z powierzchni wody w doprowadzalnikach są na ogół bardzo małe w porównaniu z możliwymi stratami filtracyjnymi. Tym niemniej, przy długich kanałach o znacznych szerokościach zwierciadła wody i małych przepływach, byłoby niesłuszne całkowite pomijanie tej pozycji w bilansie wodnym sieci doprowadzającej.

Dobowe wartości parowania z powierzchni wody można wyznaczyć ze wzoru:

E = 0,5 d mm⋅doba^-1

gdzie: d - średni dobowy niedosyt wilgotności powietrza w hPa.

Orientacyjnie, jako średnio wysokie dobowe parowanie okresu letniego notowane są u nas wartości 5 - 10 mm na dobę, co odpowiada jednostkowym rozchodom 0,6 - 1,2 l⋅s^-1⋅ha^-1 z powierzchni zwierciadła wody.

Bardzo duże straty, nie dające się ująć żadnymi obliczeniami, mogą być powodowane przez nieszczelności wadliwie wykonanych budowli regulujących i przez niewłaściwą eksploatację systemu nawadniającego.

4. Projektowanie przekroju poprzecznego doprowadzalników

Mając ustaloną trasę doprowadzalnika i niezbędne położenia wysokościowe zwierciadła wody w profilu podłużnym, można przystąpić do projektowania przekroju poprzecznego. Przepływy miarodajne do obliczania wymiarów doprowadzalnika na poszczególnych jego odcinkach, wyznacza się na podstawie uprzednio opracowanych harmonogramów nawodnień, uwzględniając potrzeby wodne o określonym prawdopodobieństwie występowania.

Poprawnie zaprojektowany przekrój doprowadzalnika powinien zapewnić:

• minimum strat na przesiąki,

• maksimum przepustowości przy minimum powierzchni przekroju,

• stabilność dna i skarp, tj. nie przekroczenie dopuszczalnych prędkości maksymalnych i minimalnych.

Należy podkreślić, że dobranie przekroju gwarantującego jednoczesne i całkowite spełnienie wszystkich warunków, częściowo się wykluczających, byłoby bardzo trudne, a niekiedy wręcz niemożliwe. Dlatego też zależnie od: jakości wody, celu i systemu nawodnień, rodzaju gruntu, przewidywanych umocnień itd. wysuwamy na pierwszy plan jeden lub dwa główne postulaty, które będą zasadniczymi kryteriami przy wyborze optymalnych wymiarów przekroju.

Spośród przekrojów trapezowych, opisanych na półkolu, bezwzględnie najkorzystniejszym byłby przekrój o nachyleniu skarp pod kątem 60° (1 : 0,58), dający przy tym kształcie maksimum promienia hydraulicznego i minimum obwodu zwilżonego. Nachylenie to jednak dla kanałów ziemnych nie umocnionych jest zbyt strome, nadaje się natomiast dla doprowadzalników betonowych i koryt prefabrykowanych.

Podobnie jak w rowach odwadniających, tak i w doprowadzalnikach prędkość wody charakteryzujemy zazwyczaj jednym wskaźnikiem - prędkością średnią:

V = Q/F,

która nie powinna przekraczać pewnych wartości krytycznych zależnych od:

• właściwości gruntu i rodzaju umocnień,

• kształtu koryta (promień hydrauliczny, napełnienie),

• ilości i rodzaju zawiesin w wodzie.

Prędkości dopuszczalne podawane w literaturze, odnoszą się przede wszystkim do sieci odwadniającej i są przez analogię stosowane w doprowadzalnikach.

W doprowadzalnikach powinny być również wytworzone warunki nie zagrażające zamuleniu. W celu ochrony doprowadzalnika przed zamuleniem prędkość wody (średnia w przekroju) nie może być mniejsza od dopuszczalnej prędkości minimalnej.

Obliczenia hydrauliczne doprowadzalników wykonuje się w sposób analogiczny do obliczania kanałów odwadniających. Są one oparte są na założeniu ustalonego ruchu równomiernego. Przepływ i parametry kanału obliczamy z następujących zależności:

gdzie:

Q - objętość przepływu (m³⋅s^-1),

F - powierzchnia przekroju poprzecznego (m²),

R - promień hydrauliczny (m),

J - spadek hydrauliczny przyjęty jako równy spadkowi dna,

V - średnia prędkość w przekroju (m. s^-1),

C - współczynnik zależny od szorstkości, spadku i promienia hydraulicznego.

Tok obliczeń jest tu jednak bardziej skomplikowany, gdyż przy projektowaniu doprowadzalnika, wskutek rozbiorów wody na trasie przepływy w miarę odległości od ujęcia maleją i dlatego przekroje poprzeczne na poszczególnych odcinkach będą różne. Można by przyjąć jedną z następujących zasad, jako wytyczną do obliczeń:

• utrzymać na całej długości stałą prędkość V, dobierając różne spadki J i powierzchnie przekroju F,

• utrzymać stałą powierzchnię przekroju F zmieniając J i V,

• utrzymać stały spadek przy zmiennych V i F.

Na wybór rozwiązania wpływają warunki miejscowe i eksploatacyjne, ale warto podkreślić, że ze względu na zamulenie, spadki i prędkości nie powinny w żadnym przypadku wykazywać wzdłuż kanału tendencji malejącej.

Projektując przekrój poprzeczny doprowadzalnika należy uwzględnić funkcję spełnianą przez dany odcinek w całokształcie sieci doprowadzającej. Doprowadzalnik główny usytuowany poza obiektem nawadnianym i biegnący w wykopie (rys. 29) powinien mieć przekrój zwarty - przeważa tu postulat maksymalnego przepływu przy minimum kubatury robót ziemnych.

Rys. 29. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego w wykopie

Sieć doprowadzalników drugiego rzędu, położoną z reguły wewnątrz obszaru nawadnianego, najdogodniej jest wykonać w półwykopie-półnasypie (rys. 30). W tym przypadku również profil zwarty byłby korzystniejszy, zwłaszcza jeśli udałoby się zrównoważyć objętości mas ziemnych tylko w ramach transportu poprzecznego.

Rys. 30. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego w półwykopie-półnasypie

Doprowadzalnik idący całkowicie w nasypie może być przy niektórych systemach nawodnień pożądany, a nawet konieczny, ze względu na utrzymanie odpowiedniego położenia zwierciadła wody w stosunku do powierzchni terenu (rys. 31). Na ogół jednak rozwiązanie takie jest kosztowne i trudne w eksploatacji.

Rys. 31. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego całkowicie w nasypie

Na utrzymanie stałości przekroju poprzecznego doprowadzalników nie umocnionych w sposób zasadniczy wpływa nachylenie skarp. Zależnie od właściwości gruntu, roli i wielkości doprowadzalnika stosowane są nachylenia w granicach 1:0,5 (sieć szczegółowa) do 1:3 (sieć podstawowa).

Najczęściej nachylenia skarp darniowanych lub obsianych są następujące:

• torfy słaborozłożone 1:0,5 1:1

• torfy średnio i silnie rozłożone 1:1 1:1,5

• gliny mocne 1:1 1:1,25

• gliny średnie, piaski gruboziarniste 1:1,5

• piaski drobnoziarniste 1:2

• grunty pyłowe 1:3

Oczywiście w przypadku umocnienia dna i skarp, np. okładziną betonową przekrój doprowadzalnika staje się bardziej zwarty, zbliżony do przekroju hydraulicznie najkorzystniejszego.

5. Uszczelnianie doprowadzalników

Straty na przesiąki mogą być w pewnym stopniu ograniczone przez prawidłową eksploatację systemów nawadniających, lecz dla wydatnego zmniejszenia filtracji niezbędne jest stosowanie specjalnych zabiegów lub środków technicznych.

Różnorodne środki i sposoby zwalczania strat na filtrację z doprowadzalników otwartych oparte są na dwóch głównych metodach:

• zmniejszania naturalnej przepuszczalności gruntu,

• stosowania sztucznych szczelnych przepon lub okładzin.

Zmniejszenie przepuszczalności gruntu może być osiągnięte jednym z następujących sposobów:

1. Mechaniczne zagęszczanie gruntu - zabieg ten nadaje się do uszczelniania gruntów spoistych. Dno i skarpy kanału zostają zagęszczone ciężkimi wałami lub ubite za pomocą maszyn udarowych. W wierzchniej warstwie do głębokości 25 - 50 cm zachodzą wtedy następujące zmiany:

• porowatość zmniejsza się 1,5 - 2 krotnie (z 35 - 55% do 20 - 30%),

• ciężar objętościowy wzrasta o 20 - 30%,

• współczynnik filtracji zmniejsza się przeciętnie 5 - 10 razy.

2. Kolmatacja gruntu, czyli sztuczne zamulenie powierzchni i przestworów gruntu drobnymi cząsteczkami pyłowymi i iłowymi - może być prowadzona w wodzie bieżącej podczas pracy kanału lub w wodzie stojącej na odcinkach zamykanych stałymi czy też prowizorycznymi budowlami piętrzącymi. Kolmatacja zmniejsza filtrację przeciętnie 3 - 5 razy, a w przypadku, np. gruntów różnoziarnistych i bez spękań lub szczelin nawet 10 - 15 krotnie.

3. Sztuczne oglejenie profilu - na dnie i skarpach kanału o głębokości zwiększonej w stosunku do projektowanej o 15-25 cm, układa się kilkucentymetrową warstwę masy organicznej: słomę, chwasty lub inne resztki roślinne zmieszane z gruntem podłoża, po czym masę tę przykrywa się ubitą warstwą ochronną gruntu rodzimego (10-15 cm). Sposób ten nadaje się tylko do uszczelniania doprowadzalników małych prowadzących stale wodę, a zawodzi w sieci pracującej ze znacznymi przerwami, zwłaszcza zaś w warunkach głębokiego zalegania zwierciadła wody gruntowej.

4. Wytworzenie sztucznego zasolenia gruntu - sole przenikające z wodą w grunt niszczą jego strukturę i zmniejszają przepuszczalność. Sposób ten nie nadaje się do uszczelniania gruntów węglanowych, jest stosunkowo krótkotrwały (3-4 lata), a powoduje niezbyt wielkie zmniejszenie przepuszczalności (2-5 razy). Ponadto jako skutek uboczny może wystąpić zmniejszona odporność gruntu na rozmywanie.

5. Bitumizacja i silikatyzacja powierzchni - natrysk, uprzednio wzruszonej powierzchni gruntu, ropą naftową lub emulsjami bitumicznymi pozwala uzyskać kilkakrotne (3-4) zmniejszenie współczynnika filtracji. Trwałość bitumizacji ocenia się na 4-5 lat. Silikatyzację, zbieg dość kosztowny i mało stosowany w technice nawodnień, wykonuje się przez zastrzyki roztworu szkła wodnego utrwalonego wprowadzonym roztworem CaCl₂.

Formy przepon i okładzin uszczelniających są bardzo różnorodne, w zasadzie jednak można je sprowadzić do następujących typów:

1. Nieprzepuszczalne przepony gruntowe - jako materiał na przepony gruntowe stosowana jest powszechnie glina. Ponadto stosuje się przepony ze specjalnych grup materiałów ilastych (bentonit) zapewniających dużą wodoszczelność przy minimalnej (kilka mm) grubości warstwy.

2. Przepony i okładziny asfaltowe - mogą być wykonane przez natrysk powierzchni gruntu na gorąco warstwą asfaltu o grubości przeważnie 6 - 9 mm lub ułożenie prefabrykowanych płyt asfaltowych grubości około 12 mm.

3. Przepony z tworzyw sztucznych - obecnie coraz częściej wprowadza się uszczelnienia z folii. Płaty folii o grubości 0,1 - 1,0 mm, o różnej długości i szerokości, stosowane są jako wykładziny pokrywające powierzchnię skarp i dna kanałów lub stałe przepony kryte.

4. Brukowanie skarp i dna - bruk będący elementem ubezpieczającym spełnia również rolę uszczelniającą zmniejszając straty 1,5 - 3 razy.

5. Okładziny betonowe i żelbetowe - uszczelnienia te szeroko stosowane we wszelkiego rodzaju kanałach stanowią jednocześnie obudowę umacniającą przekrój. Stosowane są następujące zasadnicze formy uszczelnień betonowych:

• płyty prefabrykowane betonowe o małych wymiarach, zbrojone o średnich wymiarach i zbrojone wstępnie sprężone, wielkowymiarowe (grubość 3 - 5 cm, szerokość 1 - 2 m, długość 25 - 30 m),

• okładziny monolityczne betonowe wykonywane na miejscu mają zazwyczaj grubość 6 - 12 cm,

• torkretowanie, tj. natrysk zaprawy cementowej na siatkę stalową ułożoną na dnie i skarpach kanału, umożliwia uszczelnienie przekroju o dowolnych kształtach, nie pozwalających na użycie innej technologii betonowania. Grubość natryskowej warstwy wynosi 4 - 6 cm.

6. Rurociągi grawitacyjne i tłoczne

W nowoczesnych systemach nawadniających coraz częściej stosowane jest doprowadzenie wody za pomocą rurociągów krytych - grawitacyjnych lub tłocznych.

Rurociągi grawitacyjne mogą być projektowane na przepływ swobodny lub pod niewielkim ciśnieniem, zazwyczaj rzędu paru metrów słupa wody. Doprowadzalniki tego typu nadają się do zasilania wszelkich systemów nawodnień podpowierzchniowych oraz niektórych napowierzchniowych: stokowego i bruzdowego, nie wymagających dużego dopływu jednostkowego.

Rurociągi tłoczne pracujące pod dużym ciśnieniem (kilka do kilkunastu atmosfer) stanowią składowy element ujęć wody z mechanicznym podnoszeniem oraz służą do zasilania deszczowni ze zraszaczami dalekiego zasięgu.

Ze względu na znaczne koszty budowy i eksploatacji rurociągów o dużym przepływie, najczęściej stosuje się kombinowany układ sieci doprowadzającej: doprowadzalniki główne w formie kanałów otwartych, a boczne i rozdzielacze jako rurociągi podziemne.

VII. Wyznaczanie dawek wody dla nawodnień zwilżających

1. Wyznaczanie dawki okresowej netto

Wielkość przewidywanego zapotrzebowania wody do nawodnień zwilżających zależy od wielu różnych czynników. Część z nich, wynikająca z warunków fizjograficznych terenu, jest od projektanta niezależna; część zaś ma charakter parametrów ustalanych na podstawie założeń gospodarczych i technicznych.

W określonym przedziale czasu jednostkowe zapotrzebowanie wody netto Z dla obszaru jednorodnego, w którym nie występuje dopływ z zewnątrz, ani odpływ na zewnątrz poza rozpatrywaną warstwę gleby, wynika z równania bilansu wodnego wyrażonego w mm lub w m³⋅ ha^-1:

Z = E - P - (W_p - W_k)

gdzie:

E - przewidywane parowanie terenowe z powierzchni nawadnianej, obejmujące łącznie rozchody na transpirację i parowanie gleby,

P - opad efektywny, który równa się opadowi rzeczywistemu pomnożonemu przez współczynnik zmniejszający, zwany współczynnikiem wykorzystania opadów μ, który zależy od charakteru opadów; dla opadów małych współczynnik μ można przyjąć jako równy jedności, przy większych lub ulewnych deszczach w terenach płaskich, z płytkim poziomem wód gruntowych lub wyposażonych w urządzenia piętrzące μ również wynosi 1, ponieważ w takich warunkach praktycznie cały opad wchodzi do bilansu; jedynie w terenach podgórskich o dużych spadkach (10 - 100‰) lub przy głębokim zaleganiu wód gruntowych i dużej przepuszczalności gruntu należy przyjmować μ około 0,9-0,8.

W_p - początkowy zapas wody w danej warstwie gleby nie przekraczający w terenach meliorowanych polowej pojemności wodnej,

W_k - końcowy zapas wody, dopuszczalny ze względu na wymagania roślin.

Oznaczając różnicę parowania i opadu:

E - P = N

jako jednostkowy niedobór opadów, a różnicę zapasów wody:

W_p - W_k = ΔW

jako retencję użyteczną w profilu glebowym, która może być oddana z gleby na pokrycie części parowania terenowego, otrzymamy zapotrzebowanie jednostkowe:

Z = N - ΔW

Obliczone zapotrzebowanie średnie lub o określonej częstotliwości występowania stanowi dawkę okresową netto - D_n, którą trzeba doprowadzić do gleby w danym okresie, aby zapewnić utrzymanie założonych warunków wilgotnościowych.

Przy ustalaniu dawki okresowej podstawowym zagadnieniem jest oszacowanie miarodajnego parowania terenowego E, które ukształtuje się w warunkach nawadnianego obiektu i które trzeba będzie rekompensować przez doprowadzenie odpowiedniej ilości wody. Jest to zagadnienie bardzo złożone, a w obrębie licznych metod i wzorów podawanych w literaturze można wyróżnić dwa zasadnicze kierunki wyznaczania wartości E - empiryczny i teoretyczny.

Kierunek empiryczny obejmuje metody oparte na bezpośrednich pomiarach i doświadczeniach rolniczych, wykonanych w określonych warunkach klimatycznych, glebowych i produkcyjnych. Ze względu na dużą ilość czynników decydujących o parowaniu wykorzystanie materiałów doświadczalnych, nawet krajowych lub regionalnych, może być niekiedy trudne i ograniczone do lokalnego zasięgu.

Kierunek teoretyczny, operujący wodnym i energetycznym bilansem procesów parowania, reprezentuje metody fizyczne ściślejsze, bardziej uniwersalne, ale trudniejsze w praktycznym stosowaniu z powodu konieczności posiadania szczegółowych danych w zakresie bilansu radiacyjnego i cieplnego terenów nawadnianych.

W literaturze można znaleźć cały szereg półempirycznych wzorów na parowanie, zarówno prostych jak i bardzo skomplikowanych. Poniżej przytoczono tylko trzy metody obliczania parowania terenowego.

Metoda termicznego współczynnika parowania terenowego według Szarowa.

Ponieważ temperatura powietrza stanowi wskaźnik intensywności przemian energetycznych, często parowanie terenowe wyraża się jako funkcję temperatury:

E = α Σ t [mm/okres],

gdzie:

Σ t - suma średnich dobowych temperatur powietrza w ⁰C w danym okresie,

α - termiczny współczynnik parowania terenowego zależny od uwilgotnienia gleby, rodzaju roślinności, agrotechniki itd., wyrażany w mm na dobę i 1°C.

Należy podkreślić, że związek parowania z samą temperaturą nie jest zbyt ścisły, gdyż nieuwzględnione są tu stany uwilgotnienia atmosfery. Z tego powodu doświadczalnie ustalane współczynniki α mają charakter regionalny, ograniczony do klimatycznych warunków terenu badań.

Według Szarowa współczynniki α dla terenów nawadnianych wahają się w następujących granicach:

Plony roślin	Współczynnik α
niskie	0,14 - 0,16
średnie	0,18 - 0,20
wysokie	0,20 - 0,22

Przy wysokich stanach wody gruntowej (0,5 m. pod powierzchnią) α = 0,20 - 0,25, a w przypadku występowania wód powierzchniowych (zalew) α = 0,25 - 0,30.

Metoda

higrometrycznego współczynnika parowania terenowego według Ostromęckiego.

Zarówno rozważania teoretyczne jak i obserwacje wskazują, że stosunkowo ścisłym wskaźnikiem parowania terenowego może być niedosyt wilgotności powietrza, kształtujący się pod wpływem termiki i uwilgotnienia mas powietrznych. Współczynnik korelacji między parowaniem a niedosytem jest wysoki, według doświadczeń osiąga wartość 0,90 - 0,95 i przewyższa współczynnik korelacji parowania z innymi, osobno rozpatrywanymi, czynnikami klimatycznymi.

Parowanie terenowe obszaru nawadnianego (w określonym przedziale czasu) można wyrazić prostym wzorem, stosowanym przez bardzo wielu autorów:

E = β Σ d [mm/okres],

gdzie:

Σ d - suma średnich dobowych niedosytów wilgotności powietrza według notowań stacji meteorologicznych, wyrażona w hPa,

β - higrometryczny współczynnik parowania terenowego zależny od rodzaju gleby i jej uwilgotnienia oraz od rodzaju roślinności i wielkości jej masy, wyrażony w mm na dobę i 1 hPa niedosytu wilgotności powietrza (tab. 3).

Tabela 3. Higrometryczne współczynniki parowania () w mm na dobę i 1 hPa niedosytu wilgotności powietrza dla łąk za okres jednego pokosu.

Gleba	Woda gruntowa (cm)	Współczynnik parowania () przy plonie siana w q⋅ha^-1
				dar-nina	10	20	30	40	50	60	70	80
	Torf niski turzycowo-trzcinowy śr. rozłożony, o małej popiel. i małym ciężarze obj., podsiąk bardzo intensywny, proces murszenia bardzo słaby	25	0,65	0,83	0,91	0,97	1,02	1,06	1,10	1,14	1,17
		50	0,53	0,68	0,75	0,80	0,84	0,87	0,91	0,94	0,97
		75	0,44	0,57	0,62	0,66	0,69	0,72	0,75	0,77	0,80
		100	0,36	0,46	0,51	0,54	0,57	0,59	0,62	0,64	0,66
	Torf niski namulony, rozpylony, podsiąkanie słabe, proces murszenia zaawansowany	25	0,38	0,48	0,54	0,59	0,64	0,68	0,72	0,76	0,79
		50	0,32	0,41	0,47	0,51	0,55	0,59	0,62	0,65	0,68
		75	0,28	0,36	0,40	0,44	0,47	0,50	0,53	0,56	0,59
		100	0,24	0,31	0,35	0,38	0,41	0,43	0,46	0,48	0,50
	Torf niski namulony, rozpylony, podsiąk utrudniony, proces murszenia bardzo zaawansowany	25	0,33	0,42	0,47	0,51	0,55	0,59	0,63	0,66	0,69
		50	0,29	0,37	0,41	0,45	0,49	0,52	0,55	0,58	0,61
		75	0,25	0,32	0,36	0,40	0,43	0,46	0,49	0,51	0,53
		100	0,22	0,29	0,32	0,35	0,38	0,41	0,43	0,45	0,47
	Mada ciężka wiślana, głęboka, o zawartości 60 % części spławialnych (< 0,02 mm)	25	0,35	0,47	0,53	0,59	0,64	0,69	0,73	0,77	0,81
		50	0,33	0,44	0,51	0,56	0,61	0,65	0,69	0,73	0,77
		75	0,32	0,42	0,48	0,53	0,58	0,62	0,66	0,70	0,73
		100	0,30	0,40	0,46	0,51	0,55	0,59	0,63	0,67	0,70
		125	0,29	0,38	0,44	0,48	0,52	0,56	0,60	0,63	0,66
	Lekka gleba piaszczysta (90 % piasku 0,1 - 1,0 mm), warstwa próchniczna 10 - 15 cm	25	0,37	0,48	0,55	0,61	0,66	0,71	0,75	0,79	0,83
		50	0,31	0,41	0,46	0,51	0,55	0,59	0,63	0,69	0,70
		75	0,26	0,34	0,39	0,43	0,47	0,50	0,53	0,56	0,59
		100	0,22	0,29	0,33	0,36	0,39	0,42	0,45	0,47	0,49

Wzory oparte na niedosycie wilgotności powietrza są wzorami empirycznymi i wymagają ustalenia regionalnych lub krajowych wartości współczynników doświadczalnych. Obserwacje lizymetryczne wykonane w Polsce pozwoliły na wyrażenie współczynnika β w następującej formie:

β = (1 + B Qⁿ)

gdzie:

e - podstawa logarytmu naturalnego,

h - średnia odległość wody gruntowej od powierzchni terenu w metrach,

A, m - współczynniki empiryczne zależne od rodzaju gleby,

Q - plon danej rośliny w q⋅ha ^-1,

B, n - współczynniki empiryczne zależne od rodzaju roślinności.

Jak wykazują obserwacje, poważny wpływ na parowanie terenowe wywiera uwilgotnienie gleby (reprezentowane przez stany wody gruntowej) oraz plon masy roślinnej. Oczywiście zużycie wody na ewapotraspirację nie jest proporcjonalne do plonów (wykładnik potęgowy n we wzorze na współczynnik β jest mniejszy od jedności), tym niemniej poziom planowanej produkcji roślinnej musi być uwzględniany w bilansie wodnym terenu nawadnianego.

Metoda opadów optymalnych według Hohendorfa.

Bardzo orientacyjne i na ogół zawyżone dane o zużyciu wody na parowanie można uzyskać na podstawie tzw. opadów optymalnych, tj. opadów, które według doświadczeń rolniczych zapewniają wysokie plonowanie roślin. Normy przeciętnych dla Polski opadów optymalnych opracował Hohendorf (tab. 4). Normy te należy pomnożyć przez 1,25 dla gleb lekkich i torfów oraz przez 0,85 dla gleb ciężkich.

Tabela 4. Okresowe i miesięczne sumy opadów optymalnych (w mm) dla roślin uprawianych w Polsce na glebach średnio zwięzłych (według Hohendorfa)

Roślina	X-III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	Okres weg.	Rok
Zboża	270	30	90	60	50	(40)	(40)	230	500
Buraki cukrowe	210	30	60	50	120	90	80	430	640
Ziemniaki	200	40	60	70	80	90	60	400	600
Użytki zielone	200	65	120	115	100	80	70	550	750

Wobec tego, że opady i parowanie w poszczególnych latach odznaczają się na obszarze Polski stosunkowo dużą zmiennością, należy poza średnią wieloletnią wartością niedoboru okresowego wyznaczyć także niedobory o różnej częstotliwości występowania. W serii lat (minimum 15) obliczamy na podstawie danych meteorologicznych i przyjętych współczynników empirycznych parowanie terenowe E_i w interesującym nas okresie (miesiąc, okres jednego pokosu, okres wegetacyjny) każdego roku. Niedobór znajdujemy ze wzoru:

gdzie:

P_i - opad w danym okresie każdego roku.

Niedobór średni w wieloleciu wynosi:

gdzie:

i

Analizując szereg rozdzielczy wartości N_i obliczamy N_25%, odpowiadające niedoborom opadowym lat średnio suchych i N_10% odnoszące się do lat bardzo suchych.

W przypadku stosowania metody higrometrycznych współczynników parowania można tok obliczeń niedoborów N_p% znacznie uprościć. Mianowicie niedobór N_p% o określonej częstotliwości występowania jest liniową funkcją średniego parowania i średniego opadu:

,

a ponieważ parowanie jest proporcjonalne do niedosytów wilgotności powietrza według związku:

,

,

gdzie przez D_i oznaczono okresowe sumy średnich dobowych niedosytów, a

, stąd

Wartości liczbowe współczynników A_p i B_p opracowano dla 64 stacji meteorologicznych Polski dla łąk z uwzględnieniem okresów pierwszego (1.IV-15.VI) i drugiego (16.VI-31.VIII) pokosu przy prawdopodobieństwach występowania niedoborów p = 25% i p = 10% (rys. 32 i 33).

Rys. 32. Wartości współczynnika B do obliczania niedoborów opadowych o 25% częstotliwości występowania dla I-go pokosu łąk.

Rys. 33. Wartości współczynnika A do obliczania niedoborów opadowych o 10% częstotliwości występowania dla I-go pokosu łąk.

Retencja użyteczna

Retencja użyteczna, czyli wielkość rezerw wody dostępnej dla roślin, którą gleba może w okresie wegetacji oddać ze swego profilu na pokrycie parowania i transpiracji, teoretycznie biorąc powinna odpowiadać przedziałowi: polowa pojemność wodna - wilgotność punktu więdnięcia, przy którym jak wiadomo siła ssąca gleby wynosi 16-20 at, co odpowiada wskaźnikowi pF 4,2 - 4,3. Ze względu jednak na konieczność zapewnienia stałych optymalnych stosunków wodnych i podtrzymania w całej warstwie korzeniowej dostatecznego zasobu wody łatwo dostępnej (pF poniżej 3,5 - 3,6), przyjmuje się na ogół znacznie mniejsze wartości okresowych rezerw dyspozycyjnych. Poza rodzajem gleby, miąższością warstwy korzeniowej i odległością zwierciadła wody gruntowej od powierzchni terenu, na miarodajną wielkość retencji użytecznej wpływa rodzaj roślinności i intensywność rozchodów wody na parowanie.

Wobec bardzo wielu czynników decydujących o retencji użytecznej, miarodajnej dla okresu wegetacji, spotyka się w literaturze dość rozbieżne poglądy i zalecenia, co do przyjmowania wielkości ΔW, wchodzącej we wzór określający zapotrzebowanie wody do nawodnień.

2. Wyznaczanie dawek polewowych netto

O ile dawka okresowa netto zależy w przeważającym stopniu od sumy rozchodów na parowanie terenowe, o tyle dawka polewowa netto uzależniona jest przede wszystkim od właściwości wodnych profilu glebowego.

Ogólnie biorąc maksymalną granicę dawki polewowej określa wielkość retencji użytecznej w danej warstwie gleby. Praktyczna, miarodajna retencja użyteczna jest zwykle znacznie mniejsza od jej maksymalnej wartości teoretycznej; mianowicie szereg autorów zakłada konieczność utrzymywania zapasów wody w glebie na poziomie nie niższym niż 0,65 - 0,75 polowej pojemności wodnej. W rezultacie dawka polewowa netto nie powinna przekraczać 0,35 - 0,25 polowej pojemności wodnej, co według licznych badań odpowiada zapasowi wody łatwo dostępnej dla roślin. Dawka polewowa netto wynosi więc:

d ≤ (0,35 - 0,25)W_p

Wielkość dawki polewowej (w mm lub m³⋅ha^-1) wyznacza się dla tzw. czynnej warstwy profilu glebowego, tj. warstwy znajdującej się w zasięgu głównej masy korzeni uprawianej rośliny. Orientacyjnie miąższości warstwy czynnej są następujące:

• użytki zielone 0,25 - 0,50 m,

• warzywa 0,30 - 0,60 m,

• rośliny w uprawie polowej 0,50 - 1,00 m.

Ponieważ polowa pojemność wodna zależy nie tylko od rodzaju gleby, ale i od miąższości rozpatrywanej warstwy oraz od położenia zwierciadła wody gruntowej, stąd również dawki polewowe netto są odpowiednio do tych czynników zróżnicowane (tab. 5).

Tab. 5. Zapasy wody w 0,5 m warstwie gleby przy charakterystycznych stanach uwilgotnienia w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych (wg. Somorowskiego)

Zawartość frakcji o średnicy < 0,02 mm %	Zapasy wody w mm przy pojemności			Ilość wody w mm
		polowej Zpp	okresu suszy Zps	więdnięcia Zpw	dostępnej Zpp - Zpw	łatwo dostępnej Zpp - Zps
5	76	47	7	69	29
10	94	61	16	78	33
20	126	84	34	92	42
30	151	106	52	99	45
40	169	122	70	99	47
50	181	134	89	92	47
60	185	141	107	78	44
70	183	143	125	58	40

Uwaga: Dane tabeli odnoszą się do gleb o średniej zawartości substancji organicznej okoo 3% i do tych utworów pyłowych lub pylastych, w których stosunek części pyłowych do spławianych wynosi około 2:1. Przy innych wskaźnikach należy uwzględnić poprawki.

Wartość maksymalnej dawki polewowej netto przy głębokim położeniu zwierciadła wody gruntowej można określić ze wzoru:

d = (W_p - W_k)∙h∙10 [mm],

gdzie:

W_p - wilgotność czynnej warstwy gleby przy polowej pojemności wodnej, wyrażona w procentach objętościowych,

W_k - wilgotność krytyczna czynnej warstwy gleby, wyrażona w procentach objętościowych,

h - miąższość czynnej warstwy gleby w cm (rys. 34).

Rys. 34. Dawka polekowa przy nawodnieniach gleb warunkach głębokim zwierciadłem wody gruntowej

1 - polowa pojemność wodna, 2 - pojemność wodna okresu suszy, 3 - zwierciadło wody gruntowej, warunkach - czynna warstwa gleby, warunkach - dawka polewowa netto

W warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych sprawa rezerw użytecznych, a więc i dawek polewowych jest bardziej skomplikowana, powodując sporo nieporozumień przy praktycznej interpretacji zjawisk retencji.

Rozpatrzmy to zagadnienie przy założeniu, że na wiosnę lub bezpośrednio po nawożeniu profil glebowy w całej warstwie ponad zwierciadłem wody gruntowej jest nasycony do polowej pojemności wodnej, a wody gruntowe nie są zasilane przez dopływ zewnętrzny (rys. 35).

Ubytek wody z profilu ΔW, wykorzystany w pewnym przedziale czasu na pokrycie niedoborów między parowaniem a opadem, może, teoretycznie biorąc, wywołać dwa skrajne rozkłady wilgotności końcowej w stosunku do pierwotnego stanu wyjściowego (rys. 35b):

• ΔW zostaje pobierane wyłącznie z zapasów wysychającej strefy aeracji i podsiąk nie bierze udziału w uzupełnianiu rozchodów; wobec tego zwierciadło wód gruntowych nie wykazuje zmian, a spada jedynie wilgotność wierzchnich warstw gleby, aż do granic wysychalności; ubytek retencji wynosi wtedy

ΔW = PP₁ - PS₁,

• ΔW zostaje pobierane wyłącznie z wody podsiąkającej; zwierciadło wód gruntowych obniża się, natomiast wilgotność strefy aeracji utrzymuje się w granicach polowej pojemności wodnej; ubytek retencji wynosi w tym przypadku

ΔW = PP₁ - PP₂.

Rys. 35. Schemat możliwych skrajnych przypadków wyczerpywania rezerw wilgoci glebowej w profilu o bliskim zwierciadle wody gruntowej

W warunkach naturalnych występuje oczywiście szereg rozkładów pośrednich, jako efekt pokrywania niedoborów częściowo z wilgoci glebowej warstw wierzchnich, a częściowo z zasobów wody gruntowej. Maksymalny możliwy ubytek retencji równa się różnicy między zapasem odpowiadającym polowej pojemności wodnej przy pierwszym, wyższym położeniu zwierciadła wody gruntowej a zapasem odpowiadającym wilgotności okresu suszy przy drugim, niższym poziomie wody gruntowej (rys. 35c), a więc:

ΔW_max = PP₁ - PS₂.

Ubytek najmniejszy występuje wtedy, gdy podczas obniżania się wody gruntowej rozkład wilgotności stale odpowiada polowej pojemności wodnej (rys. 35b):

ΔW_min = PP₁ - PP₂

Należy podkreślić, że podobnie rozbieżne zjawiska notowane są w cyklu odwrotnym, tj. podczas nawadniania suchego profilu glebowego, w którym początkowy poziom wody gruntowej zalega dość nisko. Tutaj doprowadzenie wody do strefy nasyconej (nawodnienie podsiąkowe) w ilościach przewyższających bieżący rozchód na parowanie, może w skrajnych przypadkach:

• podnieść poziom wód gruntowych bez wywołania zmian wilgotność uwilgotnieniu wierzchnich warstw gleby,

• podnieść wilgotność wierzchnich warstw gleby bez wywołania zmian w poziomie wody gruntowej.

Maksymalna wielkość dawki polewowej, gwarantująca zawsze podniesienie zwierciadła wody gruntowej na określoną wysokość, równa się różnicy pomiędzy zapasem wilgoci glebowej odpowiadającym wilgotności okresu suszy przy niskim wyjściowym położeniu zwierciadła wody gruntowej a zapasem wilgoci odpowiadającym polowej pojemności wodnej przy wyższym zadanym poziomie wody gruntowej. Zgodnie z oznaczeniami rysunku 35 dawka maksymalna osiąga wartość:

d_max = PP₁ - PS₂

Liczbowe wartości rezerw użytecznych i dawek polewowych, opracowane przez Somorowskiego i Szuniewicza, miarodajne dla meliorowanych użytków zielonych na różnych glebach przy bliskim zaleganiu wód gruntowych, zestawiono w tabeli 6. Podano tu trzy wielkości rezerw i dawek, odpowiadające amplitudom pomiędzy trzema możliwymi i dopuszczalnymi normami osuszenia: minimalną - h₁, średnią - h₂ i maksymalną - h₃ (rys. 36). Jako założenie, co do rozkładu uwilgotnienia w profilu glebowym przyjęto, że podczas obniżania się wód gruntowych rezerwy wodne wyczerpywane są od stanu polowej pojemności wodnej do stanu wilgotności okresu suszy (według schematu z rys. 35). Analogicznie, przy podnoszeniu zwierciadła wody gruntowej zapasy wilgoci wzrastają od stanu wilgotności okresu suszy do stanu polowej pojemności wodnej.

Tabela 6. Rezerwy użyteczne i wielkości dawek polewowych dla łąk na glebach z bliskim zaleganiem zwierciadła wody gruntowej.

	Normy osuszenia			Rezerwy lub dawki polewowe netto
Rodzaj i gatunek gleb	[m]			[m]
	min	śred	max
	h1	h2	h3	W1-2	W2-3	W­1-3
I. Gleby mineralne
1. Lekkie (piasek luźny)	0,35	0,40	0,45	25	25	35
2. Średnie (glina lekka)	0,50	0,55	0,70	20	40	45
3. Ciężkie (mada ciężka)	0,60	0,70	0,90	20	65	70
II. Gleby torfowe
1.Torfy głębokie, słaby sto-
pień zmurszenia, podsiąk
wysoki (>1,0 m)	0,50	0,70	0,90	50	85	100
2. Torfy głębokie, średni
stopień zmurszenia,
podsiąk średni (0,7 - 0,8 m)	0,40	0,55	0,70	60	80	95
3. Torfy głębokie, silny sto-
pień zmurszenia, podsiąk
mały (poniżej 0,6 m)	0,30	0,45	0,60	50	65	85
4. Torfy płytkie o miąższo-
ści 0,6 - 0,7 m, średnio
zmurszałe na podłożu prze-
puszczalnym	0,40	0,50	0,60	55	70	80

Rezerwy użyteczne z tab. 6 reprezentują dla każdego przypadku wielkości występujące przy niżej podanych wahaniach zwierciadła wód gruntowych:

Maksymalna rezerwa względnie dawka polewowa netto	Wahania wody gruntowej (normy osuszenia)
ΔW1-2 = PP1 - PS2 ΔW2-3 = PP2 - PS3 ΔW1-3 = PP1 - PS3	od minimalnej do średniej od średniej do maksymalnej od minimalnej do maksymalnej

Formalnie biorąc czas τ pomiędzy polewami powinien wynosić:

τ = [doby], gdzie:

d_n - dawka polewowa netto (mm), nie przekraczająca rezerw wody łatwo dostępnej,

s - przewidywana intensywność strat (mm/dobę), jako różnica między parowaniem a opadem dobowym.

Przy jednakowej wielkości dawek polewowych ilość nawodnień w okresie wegetacyjnym równa się:

n = ,

gdzie: D_n - dawka okresowa netto.

Rys. 36. Zapasy wody i rezerwy użyteczne w profilu z bliskim zwierciadłem wody gruntowej.

PP - zapas wilgoci przy polowej pojemności wodnej, PS - zapas wilgoci w okresie suszy, ΔW - rezerwa użyteczna równa wielkości dawki polewowej netto

Na poszczególnych kwaterach czy działach projektowane czasy między polewami powinny być ze względów eksploatacyjnych skontrolowane pod kątem:

• możliwości wykonania niezbędnych zabiegów agrotechnicznych (nawożenie, uprawy pielęgnacyjne) i przewidywanego użytkowania (wypas na pastwiskach, użytkowanie kośne łąk na zapleczu suszarń mechanicznych itp.),

• powiązania gospodarki wodnej kwatery z całością rozrządu wody na obiekcie.

W przypadku głębokiego zalegania wód gruntowych, nie biorących udziału w zasilaniu warstwy czynnej, rozpatrujemy tylko bilans wodny tej warstwy. Przyjmując wyjściowy zapas wilgoci w glebie (W₀) można na podstawie przewidywanego przebiegu parowania E i opadów P. obliczyć i przedstawić graficznie przebieg uwilgotnienia profilu w danych warunkach naturalnych. Projektowane nawodnienia rozwiązane są tu w dwóch wariantach (rys. 37):

Rys. 37. Schemat planowania rozkładu i wielkości dawek polewowych w profilu glebowym o głębokim położeniu zwierciadła wódy gruntowej

PP - polowa pojemność wodna, PS - pojemność okresu suszy, 1 - bez nawadniania, 2 - profil nawadniany

Wariant I

W momencie, gdy zapasy wody pobierane na parowanie spadają poniżej optimum (druga dekada maja), projektowane jest pierwsze nawodnienie dawką d₁ mniejszą od dopuszczalnej dawki maksymalnej. Dawka ta zapewnia należyte uwilgotnienie gleby do połowy czerwca; drugie nawodnienie dawką d₂ podtrzyma wilgotność do końca pierwszej dekady lipca, a ostatnia dawka d₃ wystarczy do końca okresu wegetacji. W rezultacie na polu nawodnionym przebieg uwilgotnienia układa się według krzywej 2, bardzo zbliżonej do pożądanego optimum, a zapasy wodne nie spadają nigdy do dopuszczalnego minimum.

Wariant II

Jeżeli założymy możliwość pełnego wyczerpania łatwo dostępnych rezerw, to wystarczy jedna dawka polewowa, d = W_max - W_min, wprowadzona w końcu pierwszej dekady czerwca, gdy zapas wilgoci spada do dopuszczalnego minimum. Ze względu na większe wykorzystanie rezerw dawka polewowa netto będzie tu mniejsza niż suma dawek w wariancie I (d < d₁ + d₂ + d₃), ale wahania wilgotności gleby odpowiednio się zwiększą.

W skali poszczególnej jednostki nawadnianej najwłaściwszym ze względu na wymagania roślinności będzie wariant I, natomiast wariant II byłby niewątpliwie korzystniejszy pod względem organizacyjnym.

W przypadku bliskiego zalegania wód gruntowych rozplanowanie terminów i wielkości dawek jest nieco bardziej skomplikowane, gdy trzeba jednocześnie operować stanami wód gruntowych i zapasami wody w profilu ponad umownie przyjętym poziomem porównawczym. Schemat przedstawiony na rysunku 38 jest miarodajny dla obszarów pozbawionych odpływu lub dopływu gruntowego z zewnątrz, w których obniżenie stanu wód gruntowych może być wywołane przez stratę na parowanie, podniesienie zaś następuje pod wpływem opadu lub nawodnień. Ten prosty schemat odnosi się przede wszystkim do podpowierzchniowych nawodnień podsiąkowych, aczkolwiek po niewielkiej modyfikacji (inne warunki graniczne) może służyć również przy obliczaniu nawodnień zalewowych.

Rys. 38. Schemat planowania rozkładu i wielkości dawek polewowych w profilu glebowym z bliskim położeniem zwierciadła wody gruntowej i bez dopływu z zewnątrz

a) Uwilgotnienie profilu przy zmiennych stanach wód gruntowych PP - polowa pojemność wodna, PS wilgotność okresu suszy, b) Zapasy wody w profilu, d = W_max - W_min, największa możliwa dawka polewowa netto ΔW - ubytek retencji równoważny niedoborowi N, c) Przebieg niedoborów opadowych (N = E - P) i wahań wód gruntowych w okresie wegetacji, d) Przebieg wahań zapasów wody (W) w okresie wegetacji, A - B - bez nawodnień, A - C - profil nawadniany

Tok opracowania planu nawodnień jest następujący:

Na podstawie znajomości profilu glebowego przyjmuje się dla danej roślinności miarodajne normy osuszenia, a więc: minimalną, optymalną (średnią) i maksymalną głębokość zwierciadła wody gruntowej pod powierzchnią terenu. Do zaprojektowania rozkładu dawek niezbędny jest ponadto wykres związku: stan wody gruntowej - zapasy wody w profilu ponad poziomem porównawczym (rys. 38b). W razie braku bezpośrednich pomiarów na glebach obiektu można korzystać z typowych charakterystycznych rozkładów uwilgotnienia podawanych w literaturze, dobierając wzorzec najbardziej zbliżony do warunków obiektu. Poziom porównawczy przyjmuje się zazwyczaj poniżej przewidywanych najniższych stanów wody gruntowej.

Po obliczeniu miarodajnych niedoborów opadowych (N = E - P) i ich rozkładu w okresie wegetacji, zakładamy wyjściowy stan uwilgotnienia, odpowiadający minimalnej normie osuszenia. Dla warunków naturalnych, bez nawodnień można już przy tych danych wykreślić:

• przebieg uwilgotnienia profilu w postaci krzywej zmian zapasów wody ponad poziomem porównawczym (krzywa AB na rys. 38d),

• przebieg stanów wody gruntowej (krzywa AB na rys. 38c).

Obliczenia ubytków retencji wykonujemy w założeniu, że przy obniżaniu się zwierciadła wód gruntowych od h₁ do h₂ ubytek retencji ΔW równa się PP₁ - PS₂.

W danym przykładzie, około połowy maja, gdy stany wody gruntowej i zapasy wody spadną poniżej przyjętych dopuszczalnych granic, powinno być wykonane nawodnienie. Dawka polewowa netto odpowiada tu dawce maksymalnej, czyli różnicy między polową pojemnością wodną przy minimalnej normie osuszenia a zapasem wody okresu suszy przy maksymalnej normie osuszenia. Dalszy niedobór opadów powoduje wyczerpywanie rezerw wodnych odnowionych przez nawodnienie i około połowy czerwca stan wody gruntowej i zapasy wody ponownie wymagają uzupełnienia. W wyniku projektowanego rozkładu nawodnień stan wody gruntowej i uwilgotnienie profilu układają się według krzywej AC, oscylując pomiędzy danymi wielkościami minimalnymi i maksymalnymi.

VIII. Nawodnienia podsiąkowe

1. Warunki stosowania nawodnień podsiąkowych

Nawodnienia podsiąkowe, należące do grupy nawodnień podpowierzchniowych, stanowią pod względem technicznym typ prosty, rozpowszechniony na zmeliorowanych użytkach zielonych w strefie chwiejnej równowagi bilansowo-wodnej.

Nawodnienia podsiąkowe mają wiele zalet: należą do najtańszych systemów nawodnień, są stosunkowo mało skomplikowane w eksploatacji i oszczędne pod względem zużycia wody, a chociaż nadają się przede wszystkim do nawadniania łąk i pastwisk, to można je również stosować na polach ornych i przy uprawie warzyw. Mogą być stosowane w terenach o niewielkich spadkach (w granicach 0,2-3‰). Najlepiej do tego typu nawodnień nadają się tereny o wyrównanej powierzchni i spadkach w granicach 0,5-1,0‰. Tereny o bardziej urozmaiconych spadkach wymagają wykonywania większej liczby budowli piętrzących oraz bardziej skomplikowanych rozwiązań technicznych. Najbardziej odpowiednie do nawodnień podsiąkowych są gleby średnio przepuszczalne i przepuszczalne, o płytko leżącym zwierciadle wody gruntowej (0,8-1,0 m), a szczególnie gleby torfowe wytworzone z torfów niskich o niewielkim stopniu rozkładu, charakteryzujące się dobrymi właściwościami podsiąku kapilarnego.

Nawodnienia podsiąkowe nie mogą być w zasadzie stosowane w terenach o spadkach >3‰ na glebach bardzo przepuszczalnych (K>5∙10^-2 cm⋅s^-1) z głębokim zw. wody gruntowej (poniżej 1,2 m), zwięzłych o małej przepuszczalności (K<5⋅10^-5 cm⋅s^-1), murszowych o słabej zdolności podsiąkania kapilarnego (<0,3 m⋅doba^-1).

Ze względu na sposób dostarczania wody do gleby, nawodnienia podsiąkowe mogą być tylko nawodnieniami zwilżającymi.

Istota nawodnień podsiąkowych polega na dwustronnym regulowaniu położenia zwierciadła wód gruntowych w okresie wegetacyjnym, stosownie do wilgotnościowych wymagań danej roślinności. Schemat hydrauliczny jest następujący: na obiekcie wyposażonym w urządzenia osuszające, lecz mającym zapewniony dopływ z zewnątrz, woda zostaje spiętrzona za pomocą zastawek i wypełnia całą sieć szczegółową - rowy lub dreny (rys.39), z której według praw filtracji (ruch nieustalony) przenika w głąb gruntu. Równocześnie z podnoszeniem się wklęsłej krzywej depresji, uformowanej między urządzeniami nawadniającymi, następuje przy udziale sił kapilarnych przesuwanie się wilgoci do wierzchniej warstwy gleby, co zapewnia wyrównanie ubytków retencji i utrzymanie równowagi bilansu wodnego, zachwianej przez intensywne parowanie. W razie okresowego nadmiaru wody (np. po dużych opadach) otwarcie zastawek i obniżenie piętrzenia w rowach umożliwia wytworzenie się depresji wypukłej i odciek wody z profilu glebowego.

Rys. 39. Schemat hydrauliczny nawadniania podsiąkowego.

a), b) krzywe depresji między rowami lub drenami. E - parowanie, Q - dopływ wody do rowu, c) przebieg podnoszenia się zwierciadła wody w rowie (B) i w środku łanu (A), d) rozkład uwilgotnienia w profilu glebowym podczas nawadniania

Nawodnienia podsiąkowe jako typ, obejmują tylko dwa systemy i kilka odmian (tab. 7).

Tabela 7. Podział nawodnień podsiąkowych

Systemy	Odmiany	Formy
Nawodnienia podsiąkowe ze stałym zwierciadłem wody gruntowej - tzw. podsiąk stały	a. Wspólna sieć osuszająco- nawadniająca - układ zależny b. Odrębna sieć nawadniająca - układ niezależny	Sieć szczegółowa w postaci rowów lub drenów
Nawodnienia podsiąkowe ze zmiennym zwierciadłem wody gruntowej - tzw. podsiąk okresowy	Jak w pozycji 1	Jak w poz.1 oraz: a. z wykorzystaniem zrzutów b.bez wykorzystania zrzutów

System nawodnień podsiąkowych ze stałym zwierciadłem wody gruntowej (rys.40a) jest systemem wybitnie ekstensywnym. W związku z tym podsiąk stały nadaje się tylko do nawadniania średnio wydajnych łąk lub niezbyt intensywnie zagospodarowanych pastwisk, nie można natomiast stosować go na obiektach produkujących wielopokosowo zielonkę do suszarń mechanicznych.

Rys. 40. Schematyczny przebieg stanów wód gruntowych i uwilgotnienia profilu glebowego w środku łanu przy nawadnianiu podsiąkowym łąk.

a) podsiąk stały, b) podsiąk okresowy, a - zwierciadło wody bez nawodnień, b - zwierciadło wody podczas nawadniania, c - optymalne położenie zwierciadła wody grutowej w okresie wegetacji, t_p - okres podnoszenia się wody gruntowej, t_o - okres obniżania się wody gruntowej

Nawodnienia prowadzone są w ten sposób: wczesną wiosną po obniżeniu się zwierciadła wód gruntowych przez urządzenia odwadniające do poziomu zbliżonego do optymalnego dla danej gleby i roślinności zamyka się zastawki na rowach odwadniających i utrzymuje możliwie wysokie spiętrzenie wody w sieci melioracyjnej. Dzięki temu zostaje przerwany odpływ, zwierciadło wód gruntowych między rowami nie obniża się, a wody własne (opady) i obce (powierzchniowe lub gruntowe) odpływające z obiektu są zatrzymywane, magazynowane w profilu glebowym i zużywane na parowanie terenowe. Na kilka dni przed pierwszym pokosem zastawki otwiera się, aby nieco obniżyć zwierciadło wód gruntowych i umożliwić zbiór. Po sprzęcie siana następuje ponowne piętrzenie wody aż do terminu drugiego pokosu.

Współczynnik wykorzystania wody przy podsiąku stałym jest bardzo wysoki, praktycznie biorąc dochodzić może do jedności. Ponieważ w pełni użytkuje się wody własne, zazwyczaj wystarcza niewielki dopływ z zewnątrz. Orientacyjnie już przy średnim dopływie wegetacyjnym - 0,15 l⋅s^-1⋅ha^-1, można zapewnić zrównoważenie niedoborów na użytkach zielonych, a przy dopływie 0,25-0,50 l⋅s^-1⋅ha^-1 jest gwarancja pokrycia zapotrzebowania, nawet w krótszych okresach wzmożonego parowania.

Wady i słabe strony podsiąku stałego są następujące:

• mała elastyczność powodująca, że w terenach płaskich duży obszar musi być jednolicie użytkowany i eksploatowany,

• brak ruchu wody i powietrza w profilu glebowym powodujący możliwość zabagnienia i niekorzystnych zmian w runi łąkowej,

• niszczenie skarp rowów będących dłuższy czas pod wodą.

System nawodnień podsiąkowych ze zmiennym zwierciadłem wody, nazywany podsiąkiem okresowym (rys. 40b), umożliwia intensywną gospodarkę na użytkach zielonych, a także nadaje się do nawadniania pól ornych i upraw warzywnych, lecz jest kosztowniejszy niż poprzedni, gdyż wymaga:

• gęstej sieci szczegółowej rowów i drenów,

• większej ilości budowli piętrzących,

• doprowadzania znacznych ilości wody (0,5-2,0 l⋅s^-1⋅ha^-1) z zewnątrz, której część nie będzie wykorzystana przez roślinność, lecz musi być przeznaczona na wypełnianie zbiornika podziemnego i kilkakrotne zrzuty.

Prowadzenie nawodnień polega na wykonaniu w okresie wegetacyjnym kilku cyklów piętrzenia i opuszczania wody w rowach, dzięki czemu zwierciadło wód gruntowych między urządzeniami nawadniającymi nie stagnuje na jednym poziomie. Stanowi to wielką zaletę systemu, gdyż można regulować uwilgotnienie gleby odpowiednio do zmiennych warunków meteorologicznych, a wahania wód gruntowych zapewniają należyte napowietrzenie profilu glebowego. Podsiąk okresowy, podobnie jak stały, niszczy jednak skarpy rowów, co powoduje zwiększenie kosztów konserwacji sieci nawadniająco-osuszającej.

W obu opisanych systemach podstawowym zagadnieniem jest dobór właściwej rozstawy rowów, decydującej o technicznej sprawności nawadniania, tj. o prędkości podnoszenia się wód gruntowych w środku łanu.

Rozplanowując sieć szczegółową należy rowy i dreny prowadzić z możliwie małym spadkiem, a więc prawie równolegle do warstwic, aby uzyskać jak największy zasięg działania każdej budowli piętrzącej (rys. 41). Reguła ta jest zupełnie odmienna od stosowanej przy samym odwadnianiu, gdzie (zwłaszcza w terenach płaskich) staramy się prowadzić rowy wzdłuż głównych spadków terenu. Projektowanie kierunków rowów nawadniających i wyznaczanie działów nawadnianych można sobie ułatwić nanosząc na planie warstwicowym granice zasięgu budowli piętrzących. Do rzędnej zwierciadła wody spiętrzonej przy zastawce (poziom piętrzenia może być prawie równy z terenem) dodajemy 0,2-0,3 m i ta warstwica zostaje wrysowana na planie jako granica skutecznego działania danej budowli.

Rys. 41. Rozplanowanie szczegółowej sieci rowów do nawodnień podsiąkowych.

a) schemat nieprawidłowy; kierunek rowów odpowiedni tylko przy osuszaniu lub w razie bardzo małych spadków terenu, b) schemat prawidłowy; możliwe jest dwukierunkowe osuszająco-nawadniajace działanie rowów przy małej ilości zastawek piętrzących, c) rozmieszczenie zastawek (Z) w profilu podłużnym rowu nawadniającego.

Długości rowów szczegółowych osuszająco-nawadniających, przy spadkach terenu 0,5-1,0‰, nie powinny przekraczać 500-600 m.

Układ sieci osuszająco-nawadniającej może być zależny i niezależny (rys. 42).

Rys. 42. Rozplanowanie rozrządu wody w nawodnieniach podsiakowych.

a) układ zależny; zastawki (Z) na rowie odpływowym (R) piętrza wodę w rowach osuszajaco-nawadniajacych (r), b) układ niezależny; osobne doprowadzalniki umożliwiaja elastyczne, niezależne, nawadnianie i odwadniniasąsiednich kwater; dodatkowe płytkie drenowanie krecie (d) przyspiesza cykl nawodnień.

W układzie zależnym funkcje odwadniania i nawadniania nie są rozdzielone. Zamknięcie zastawek na głównym rowie odpływowym przekształca go w doprowadzalnik zasilający sieć szczegółową, znajdującą się w zasięgu wytworzonej cofki. Zaletą tego urządzenia jest taniość - jedna budowla piętrząca bez specjalnej sieci nawadniającej obsłużyć może duży obszar, wykorzystując istniejącą sieć odwadniającą. Poważną wadę stanowi natomiast mała elastyczność w użytkowaniu terenu, wywołana wzajemnym powiązaniem gospodarki wodnej na sąsiednich działach.

Układ niezależny jest bardziej wskazany, chociaż pociąga większe koszty inwestycyjne, szczególnie w odniesieniu do budowli piętrzących. Tutaj wodę doprowadza się osobnym doprowadzalnikiem, biegnącym po granicy obiektu; rów główny odpływowy zachowuje swoją funkcję zasadniczą przez cały okres nawodnień i w ten sposób każdy dział może być nawadniany lub osuszany zupełnie niezależnie od sąsiedniego.

Rys. 43. Rozplanowanie nawodnień podsiakowych w dolinie rzecznej o bardzo małych spadkach rzędu 0,5 - 1,0‰.

2. Nawodnienia przesiąkowe (wgłębne)

Nawodnienia przesiąkowe zwane również wgłębnymi, należą do grupy nawodnień podpowierzchniowych. Schemat zasadniczy nawodnień przesiąkowych polega na doprowadzeniu wody do gęstej sieci dość płytko założonych drenów, porowatych lub z otworami filtracyjnymi, skąd częściowo pod ciśnieniem hydrostatycznym, częściowo zaś przy udziale sił kapilarnych woda rozchodzi się w glebie nasycając ją do granic polowej pojemności wodnej, a ewentualny nadmiar odcieka w głąb profilu.

Rys. 44. Działanie nawodnień przesiakowych wgłębnych.

Ten typ nawodnień można skutecznie stosować w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych, jeżeli:

• nawadniana warstwa gleby odznacza się równocześnie dużą polową pojemnością wodną i dość dużą przepuszczalnością,

• podłoże poniżej drenów posiada przepuszczalność niewielką, gwarantującą małe straty wody z czynnej warstwy gleby.

Z powyższych ograniczeń wynika, że zarówno w glebach bardzo lekkich, jak i bardzo ciężkich nawodnienia przesiąkowe nie są wskazane. Natomiast w sprzyjających warunkach glebowych, gdy ciągi drenowe założone będą dostatecznie blisko, otrzymujemy równomierne, ale nigdy nadmierne uwilgotnienie gleby, w której pozostaje zawsze pewna ilość powietrza.

Nawodnienia przesiąkowe mają wiele zalet (oszczędne zużycie wody, możliwość mechanizacji upraw), lecz ze względu na wysokie koszty są mało rozpowszechnione i nadają się przede wszystkim do nawadniania warzyw, szklarni i inspektów.

Ze względu na wysokość ciśnienia wytwarzanego w rurociągach, która decyduje o mechanizmie przenikania i rozchodzenia się wody w glebie, wyróżnia się w obrębie typu nawodnień przesiąkowych trzy następujące systemy:

• ciśnieniowe

• bezciśnieniowe

• próżniowe

Podział tych nawodnień na odmiany i formy, wobec małego rozpowszechnienia praktycznego, nie jest ustalony; można tylko wskazać na takie elementy różnicujące jak: rodzaj materiału i konstrukcja przewodów, lub ciągłość działania, stopień automatyzacji itp.

Nawodnienia przesiąkowe ciśnieniowe realizowane są za pomocą sieci drenów: ceramicznych, betonowych, umocnionych krecich lub wykonanych z tworzyw sztucznych. Właściwie rurociągi nawadniające układane są zazwyczaj w zasypce filtracyjnej, albo przynajmniej mają odpowiednio zabezpieczone styki, którymi woda przedostaje się do gleby. Przewód doprowadzający musi być szczelny. Oprócz drenów nawadniających wykonuje się także zbieracze odwadniające.

Nawodnienia przesiąkowe bezciśnieniowe prowadzone są bądź przy niecałkowitym napełnieniu rurociągu, bądź też przy bardzo małym ciśnieniu rzędu 5-10 cm słupa wody. Specjalne dreny ceramiczne, dobrze wypalone, porowate (styki szczelne, zabezpieczone mufami) przepuszczają przez ścianki wodę, która występuje na powierzchni sączka i chłonięta jest przez glebę.

Dalszym bardzo interesującym z teoretycznego punktu widzenia ale kosztownym i trudnym w eksploatacji jest próżniowy system nawodnień przesiąkowych, opracowany przed kilkudziesięciu laty przez Korniewa. W systemie tym wykorzystana jest siła ssąca gleby (potencjał kapilarny) dla utrzymywania stałej określonej wilgotności gleby i zrealizowania pełnej automatyzacji nawodnień.

IX. Obliczanie nawodnień podsiąkowych

Jednym z podstawowych zadań w obliczaniu nawodnień podsiąkowych jest wyznaczenie powierzchni swobodnego zwierciadła wody gruntowej (krzywej depresji), odpowiadającej założonym warunkom początkowym i brzegowym. Znajomość kształtu krzywej depresji umożliwia następnie dalsze obliczenia czasu trwania i zasięgu działania nawodnienia oraz niezbędnego dopływu jednostkowego.

Obserwacje krzywych depresji dokonywane w różnych warunkach potwierdziły jej paraboliczny kształt w fazie dobiegania i podnoszenia się wody w środku łanu.

1. Nawadnianie podsiąkowe ze stałym piętrzeniem

Średni niezbędny dopływ do nawadniania podsiąkowego ze stałym zwierciadłem wody można otrzymać z ogólnego wzoru:

q = 0,116 Z/T [l∙s^-1∙ha^-1] ,

gdzie:

T - okres nawadniania w I lub II pokosie.

W przypadku tego nawadniania zachodzi niekiedy konieczność sprawdzenia, czy za pomocą zaprojektowanej rozstawy urządzeń (rowy, dreny) zwierciadło wody gruntowej utrzyma się na poziomie, od którego rozpoczęto nawadnianie.

Rozstawę rowów L w warunkach, gdy dopływ z rowu pokrywa parowanie terenowe w łanie można określić, według schematu hydraulicznego opracowanego przez Gejtmana (rys. 45), ze wzoru:

, gdzie:

k - współczynnik filtracji w m·doba^-1,

e - parowanie w okresie nawadniania w m·doba^-1; dla nawodnień ze stałym zwierciadłem wody należy przyjmować wartość średniego dobowego zapotrzebowania wody.

Rys. 45. Schemat hydrauliczny nawadniania podsiąkowego ze stałym zwierciadłem wody według Gejtmana.

2. Nawadnianie podsiąkowe ze zmiennym piętrzeniem

Przy nawadnianiu ze zmiennym zwierciadłem wody gruntowej czas trwania podsiąku może być określony według schematu Kostiakowa (rys. 46).

Rys. 46. Schemat hydrauliczny nawadniania podsiąkowego ze zmiennym zwierciadłem wody według Kostiakowa.

Czas trwania podsiąku oblicza się dla dwóch faz. Fazę pierwszą stanowi czas przesiąkania wody do środka łanu. W końcu tej fazy zwierciadło wody gruntowej osiąga w środku łanu poziom H₀ według krzywej 1 (rys. 46). Czas trwania fazy I wynosi:

,

gdzie:

n = 0,5 - 0,66 - współczynnik zależy od kształtu krzywej depresji po nawodnieniu,

σ - wolna porowatość profilu gleby w chwili nawodnienia; wartość równoznaczna z wartością współczynnika α_g,

k - współczynnik filtracji w m·doba^-1,

l - 0,5 L, gdzie L - rozstawa w m.

Potrzebny dopływ średni w czasie trwania fazy I wyniesie:

Z chwilą osiągnięcia przez wodę gruntową środka łanu rozpoczyna się faza II podnoszenia zwierciadła wody do poziomu H₂. Trwa to:

,

gdzie:

Q_śr = 0,5 ⋅ (Q₁ + Q₂) - średni dopływ w fazie II w m³/dobę

Q₁ = (H² -H₀²) - dopływ na początku fazy II w m³·doba^-1,

Q₂ = (H² -H₂²) - dopływ na końcu fazy II w m³·doba^-1,

e - parowanie średnie w m·doba^-1.

Potrzebny dopływ średni w czasie trwania fazy II wyniesie:

q_II =

Całkowity czas trwania podsiąku wyniesie:

T = T₁ + T₂ [dni]

Przyjmowanie powyższego schematu obliczeń jest uzależnione od znajomości przede wszystkim parametrów glebowych: współczynnika filtracji oraz głębokości zalegania warstwy nieprzepuszczalnej, będącej poziomem odniesienia. Jak wykazały próbne przeliczenia dla gleb lekkich i średniozwięzłych można by przyjmować - przy praktycznych głębokościach rowu do 1,0 m - poziom odniesienia na głębokości około 4 - 5 m. W tym bowiem przypadku warstwy poniżej tego poziomu uczestniczą w ruchu wody w mniejszym stopniu, a określone wartości czasów podsiąku - przy tym założeniu - będą nieco dłuższe od faktycznych.

2. Nawadnianie podsiąkowe w warunkach gleb organicznych

Czas podsiąku ze zmiennym zwierciadłem wody i niezbędne dopływy dla gleb torfowych można obliczyć formułami empirycznymi według schematu hydraulicznego zaproponowanego przez Ostrołęckiego (rys. 47).

Rys. 47. Schemat hydrauliczny nawadniania podsiąkowego według Ostromęckiego.

Jeśli przyjmiemy, że czas napełniania rowów jest bardzo krótki, to wówczas zwierciadło wody podniesie się w środku łanu pod wpływem ciśnienia wody spiętrzonej w rowach o wartość ΔH₁ z poziomu H₁′ do poziomu H₁′′ w czasie T dni. Z dostateczną dokładnością można przyjmować w torfach głębokich za poziom odniesienia podłoże mineralne, traktowane też w tym przypadku jako warstwa nieprzepuszczalna. Prędkość podnoszenia się zwierciadła wody gruntowej w środku łanu wynosi:

V = C [m·doba^-1] ,

gdzie:

H₁ =

L - rozstawa w m,

C - współczynnik empiryczny, zależny od przepuszczalności gleby oraz warunków meteorologicznych, w czasie nawadniania.

W warunkach bezopadowych określić go można z formuły:

C = 0,525 K²·10⁸ [m·doba^-1], gdzie:

K - wyrażone jest w cm⋅s^-1.

Czas podnoszenia się zwierciadła wody gruntowej wyniesie:

T =

Uwzględniając zmienne w czasie, malejące wartości ciśnienia wody (H₂ - H₁), czas ten można określić dokładniej z formuły:

T =

Jeżeli obliczony czas nawadniania okaże się dłuższy niż postulowany optymalny, wynoszący 10-15 dni, to oznacza, że przy założonym schemacie i danej rozstawie nie osiągnie się efektu podsiąku. Należałoby wówczas obliczyć wymaganą rozstawę L urządzeń nawadniających na podstawie podanych wyżej formuł.

Niezbędny dopływ jednostkowy do nawadniania można określić z równania;

q =
,

gdzie:

α_g ΔH₁/φ - objętość zbiornika podziemnego między rowami, wypełnionego w trakcie nawadniania,

α_g - współczynnik empiryczny, zależny od rodzaju gleby,

φ = 0,8 dla eliptycznego kształtu krzywej depresji po nawodnieniu,

e - parowanie terenowe dobowe w okresie nawodnienia w m,

T - czas nawadniania w dobach.

Okres jednego nawadniania (podnoszenie i obniżenie zwierciadła wody gruntowej) trwa: T + 1/2T; czas obniżania zwierciadła wody jest o połowę krótszy od czasu podnoszenia.

Mając czas jednego nawadniania należy sprawdzić czy liczba nawodnień, wynikająca z konieczności pokrycia niedoborów, będzie możliwa do zrealizowania w danym pokosie.

Liczbę nawodnień określić można z ilorazu zapotrzebowania wody i wielkości dawki polewowej jednego nawadniania:

n = Z/d , gdzie:

d =

η - współczynnik określający ilość wody użytecznej dla roślin i dostarczonej w trakcie jednego nawadniania podsiąkowego; wynosi on około 0,7 do 0,8.

Z drugiej strony liczba nawodnień będzie wynikała z ilorazu okresu wegetacyjnego danego pokosu T₀ i czasu trwania pojedynczego nawadniania T + 1/2T:

X. Nawodnienia zalewowe

1. Dane ogólne

Nawodnienia zalewowe należą do obszernej grupy nawodnień napowierzchniowych. W typie nawodnień zalewowych wyróżniamy trzy systemy. W obrębie każdego systemu występuje szereg odmian i form (tab. 7).

Tabela 8. Podział nawodnień zalewowych

Systemy	Odmiany	Formy
1.Zalewy naturalne nie kontrolowane	-	-
2.Zalewy kierowane	1.Roztopowe 2.Powodziowe	Z wykorzystaniem lub bez wykorzystania zrzutów
3. Zalewy regulowane	1.Stojące 1.1.Układy zależne 1.2.Układy niezależne 2. Przepływowe	Z wykorzystaniem lub bez wykorzystania zrzutów

Dzięki swym rozlicznym formom i odmianom nawodnienia zalewowe mogą być stosowane do różnych celów, a więc nie tylko jako nawodnienia zwilżające, ale także jako nawodnienia użyźniające, przemywające, oczyszczające itd.

2. System zalewów naturalnych

Ściśle biorąc zalewy naturalne, powstające w dolinie cieku podczas przechodzenia wód większych niż brzegowe, nie powinny być zaliczane do technicznych systemów nawodnień. Pomimo to umieszczamy je w ogólnej klasyfikacji nawodnień zalewowych i omawiamy dla podkreślenia, że:

• obserwacje zjawisk naturalnych zachodzących w zalewanej dolinie dostarczać mogą wielu informacji o działaniu nawodnień na roślinność i glebę oraz wskazówek do poprawnego projektowania i eksploatacji urządzeń nawadniających,

• niekiedy bez kosztownych inwestycji, za pomocą prostych środków, można spotęgować pożyteczne działanie istniejących zalewów naturalnych lub też osłabić ich uboczne skutki ujemne związane z żywiołowym, niekontrolowanym, przebiegiem fali powodziowej.

Znajomość zalewów naturalnych i dobre rozpoznanie ich roli w dolinie pozwoli uniknąć zbyt pospiesznych i szablonowych decyzji o likwidowaniu w ogóle wszelkich wylewów przez obwałowanie lub pogłębienie koryta cieku.

W dolinach niektórych naszych cieków, w zasięgu wylewów wiosennych, uformowały się żyzne gleby madowe, a dzięki okresowemu przepływowi wody i namulaniu utrzymuje się stadium łąkowe procesu darniowego, zapewniając niezłe ilościowo i jakościowo plony.

Oczywiście zalewy naturalne, eliminując z doliny użytki orne mają także i dla użytków zielonych liczne niedogodne strony, np: zmienne wysokości zalewu oraz zmienne terminy i okresy trwania. Zdarzać się też mogą wylewy w okresach wyraźnie szkodliwych (np. podczas sianokosów) i dlatego w miarę intensyfikacji rolnictwa rola zalewów naturalnych uległa ograniczeniu.

3. System zalewów kierowanych

Zalewy kierowane należą do ekstensywnych form nawadniania, nie wymagają wprawdzie złożonych i kosztownych urządzeń, ale też pozwalają jedynie na stosunkowo ograniczone regulowanie ilości i jakości wody oraz czasu nawodnień.

Zalewy kierowane roztopowe - tereny przystosowane do tego rodzaju nawodnień noszą nazwę limanów. Na obszarach położonych poza dolinami cieków, w terenach stosunkowo płaskich, wody powierzchniowe spływające na wiosnę są zatrzymywane za pomocą grobelek (o wys. 1 - 2 m), biegnących po warstwicach (rys.48).

W grobelkach znajdują się spusty i przelewy umożliwiające kolejne napełnienie kwater. Czas trwania zalewu nie powinien być dłuższy niż 5-10 dni, a wodę należy spuszczać dostatecznie wcześnie przed robotami wiosennymi i ruszeniem wegetacji. Objętości wody zmagazynowanej w profilu glebowym w warstwie 1,0-1,5 m wynoszą na glebach i ciężkich od 2500 do 4000 m³⋅ha^-1, co dla wielu roślin stwarza dostateczny zapas wilgoci na okres wegetacji. Średnia głębokość zalewu na limanach płytkich wynosi 15-20 cm, w limanach głębokich 50-80 cm. Ze względu na koszty grobli i pożądaną dużą powierzchnię poszczególnych pól, nawodnienia w formie limanów stosowane są na małych spadkach, wynoszących 2 - 3 ‰.

W obniżeniach terenu i w dolinach małych cieków, prowadzących tylko okresowo wody roztopowe, układ grobelek jest nieco inny, mianowicie poprzeczny do głównej osi doliny (rys. 48b). Odpowiednie urządzenia piętrzące i przelewy w gro

blach pozwalają na wykonanie zalewu z parokrotnym wykorzystaniem zrzutów.

Rys. 48. Kierowane zalewy roztopowe w formie tzw. limanów.

a) Limany w zlewni poza doliną cieku. gk - grobelki kierujące spływ powierzchniowy, g - groble piętrzące, P przelew do odprowadzania nadmiaru wód, Z - przepust z zasuwą do odprowadzania ewentualnych zrzutów, b) Limany w dolinie małego cieku prowadzącego wodę tylko okresowo. g - groble usytuowane w poprzek doliny, P - przelewy w groblach piętrzących, Z - zastawka lub przepust rurowy.

Jakkolwiek nawodnienia wodami roztopowymi stosowane są przeważnie w warunkach klimatu kontynentalnego, to wydaje się, że koncepcję zalewów kierowanych można by wykorzystać i w naszym kraju do melioracji łąk śródpolnych, tak zwanych smutnych, gdzie realizacja innego rozwiązania byłaby zbyt kosztowna. Dzięki zalewom kierowanym, oprócz magazynowania wilgoci włączone byłyby wtedy w obieg biologiczny zmywy z pól, unoszone bezużytecznie przez najczęściej dotychczas stosowany jednostronny system odwadniający.

Zalewy kierowane powodziowe - prototypem wszelkich nawodnień zalewowych kierowanych były niewątpliwie starożytne nawodnienia w dolinie i delcie Nilu, ograniczone do okresu wezbrań, ale w pewien sposób sterowane za pomocą prostych urządzeń piętrzących i rozprowadzających, co w decydującym stopniu zwiększało efektywność tego nawodnienia w porównaniu z zalewem naturalnym.

W niektórych krajach Europy Środkowej (Niemcy, Północne Włochy) kierowane zalewy powodziowe były dość długo wykorzystywane do użyźniającego nawadniania naturalnych użytków zielonych, położonych w dolinach rzek. Intensyfikacja rolnictwa, a szczególnie rozpowszechnienie nawożenia mineralnego na przełomie XIX i XX wieku spowodowało zahamowanie, a nawet zaniechanie tego rodzaju nawodnień.

Realizacja zalewów kierowanych jako koncepcji melioracji napotyka duże trudności organizacyjne: uzależnia prowadzenie nawodnień od każdorazowego przebiegu fali powodziowej i narzuca konieczność jednolitego użytkowania doliny, ograniczonego w zasadzie do gospodarki łąkowej.

W ujęciu hydrotechnicznym zalew kierowany może stanowić jedną z form ochrony od powodzi. Przeznaczone do tego obszary w dolinie, chronione niskimi wałami, użytkowane wyłącznie jako łąki, przejmują określoną części wielkich wód, powodując spłaszczenie fali powodziowej. Tego rodzaju urządzenia, tzw. żuławy przepływowe lub zalewane poldery dolinowe, funkcjonują w dolinie Odry i Noteci.

Wszystkie formy zalewów kierowanych wymagają wyposażenia w urządzenia odwadniające, głównie dla sprawnego odprowadzenia nadmiaru wód powierzchniowych.

4. System zalewów regulowanych

4.1. Warunki stosowania i schematy rozwiązań technicznych

Zalew jako typ nawodnień, reprezentuje dość ekstensywny i niezbyt precyzyjny sposób dostarczania wody do gleby, jeśli chodzi o osiągnięcie samego tylko efektu zwilżającego. W związku z tym systemy zalewów regulowanych, aczkolwiek zapewniają sprawny rozrząd wody, mają sporo stron ujemnych, które ograniczają szersze stosowanie nawodnień zalewowych w intensywnym gospodarstwie rolnym.

Należy zastrzec, że uwaga ta nie dotyczy jednej, bardzo poważnej dziedziny produkcji roślinnej, mianowicie uprawy ryżu, który zajmuje ponad połowę nawadnianych terenów świata. Ryż wymaga w okresie wegetacji utrzymania zalewu o głębokości kilkunastu centymetrów i pomimo licznych prac badawczych nad hodowlą nowych odmian i metodami nawodnień, system zalewów regulowanych pozostaje na polach ryżowych nadal powszechnie stosowanym systemem nawodnień.

Zalew regulowany jest także niezastąpionym sposobem nawadniania dla realizacji niektórych celów specjalnych, np. przy melioracji gleb słonych lub zasolonych.

Z powodu trudności technicznych i eksploatacyjnych oraz wysokich kosztów urządzeń do zalewów regulowanych, konieczna jest w fazie studiów przedmelioracyjnych wnikliwa analiza wszystkich warunków decydujących o możliwości i celowości zastosowania tego nawadniania. Pod uwagę należy brać następujące czynniki:

1. Cel nawodnień

W naszych warunkach glebowo-klimatycznych i gospodarczo-rolniczych nawodnienia zalewowe nastawione tylko na regulowanie wilgotności gleby nie mają widoków rozwoju, natomiast mogą i powinny być przedmiotem rozważań w dolinach rzek, jako nawodnienia użyźniające o charakterze melioracyjnym (kolmatacja) lub nawodnienia oczyszczające przy rolniczym wykorzystaniu ścieków.

2. Woda

Do nawodnień zalewowych niezbędne są nie tylko duże sumaryczne ilości wody, sięgające kilku tysięcy m³⋅ha^-1, ale również duże rozporządzalne dopływy sekundowe, kształtujące się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu dm³⋅s^-1⋅ha^-1 jednocześnie nawadnianej powierzchni.

3. Gleby

Nawodnienia zalewowe nie nadają się na gleby:

• ciężkie, ilaste, o małej przepuszczalności i odciekalności,

• bardzo przepuszczalne o małej polowej pojemności wodnej.

4. Spadki i ukształtowanie powierzchni.

Nawodnienia zalewowe wymagają możliwie płaskiej powierzchni terenu. Różnice w rzędnych mikroreliefu nie powinny przekraczać 10-15 cm, aby zapewnić równomierność pokrycia wodą bez kosztownego wyrównywania powierzchni. Ze względu na pożądaną dużą powierzchnię pojedynczej kwatery przy jednoczesnym ograniczeniu maksymalnej dopuszczalnej głębokości wody do 50-60 cm, nawodnienia zalewowe nie są na ogół stosowane na spadkach większych od 5*. W terenach o dużych spadkach, pomijając trudności eksploatacyjne, czynnikiem ograniczającym będą wysokie koszty budowy grobli i licznych obiektów pomocniczych.

5. Rodzaj użytków rolnych.

Zarówno na gruntach ornych (z wyjątkiem pól ryżowych), jak i na użytkach zielonych, zalew powinien być w zasadzie stosowany do użyźniająco-zwilżających nawodnień przedwegetacyjnych lub pozawegetacyjnych. Z pewnymi zastrzeżeniami można dopuścić na łąkach nawodnienia zalewowe również w okresie wegetacji, mianowicie w początkowych fazach odrostu trawy w kilka dni po zbiorze pokosu. Należy jednak wtedy ograniczyć czas trwania i głębokość zalewu, nie dopuszczać do zamulenia porostu oraz zapewnić szybki zrzut nadmiaru wody. Do nawadniania pastwisk kwaterowych zalewy nie są odpowiednie ze względu na trudności eksploatacyjne, wynikające ze skomplikowanego harmonogramu nawodnień i wypasów oraz okresowego nadmiernego uwilgotnienia darni, osłabiającego jej wytrzymałość na mechaniczne działanie kopyt i racic zwierząt.

Schematy urządzeń melioracyjnych do nawodnień zalewowych omówimy w zastosowaniu do naszych warunków i przede wszystkim dla użytków zielonych leżących w dolinach rzek.

Obszar nawadniany dzieli się na kwatery za pomocą grobelek usytuowanych w taki sposób, aby przy minimum ich długości i kubatury wytworzyć możliwie duże powierzchnie, dogodne do mechanizacji upraw i sprzętu. Zachowany musi być przy tym warunek nie przekroczenia maksymalnej głębokości zalewu w miejscach najniższych (50-60 cm) i utrzymania głębokości średniej (25-30 cm). Dążąc do projektowania kwater o dużych powierzchniach należy jednak pamiętać, iż zbyt wielkie kwatery utrudniają równomierność nawadniania, powodują wydłużenie czasu zalewu i wymagają dużego dopływu sekundowego, co z kolei zmusza do rozbudowania sieci doprowadzającej i świateł budowli wpustowych. Z tych względów dogodna wielkość kwatery leży zazwyczaj w przedziale 5-15 ha. Napełnianie kwater o powierzchni do 5 ha trwa 1 dzień, 5-10 ha 2 dni, a ponad 10 ha 3 dni.

Na rozplanowanie i rodzaj urządzeń doprowadzających i odwadniających ma wpływ odmiana i forma zamierzonych nawodnień. Rozróżniamy:

• zalew stojący, gdy po zalaniu kwatery do określonego poziomu i zamknięciu dopływu przewidujemy pewien czas postoju wody na kwaterze dla wsiąknięcia określonej dawki lub osadzenia namułów,

• zalew z przepływem, gdy po zalaniu kwatery podtrzymujemy dopływ, wytwarzając przez dłuższy czas ruch wody na kwaterze z określonymi prędkościami.

Każdy regulowany zalew może być zaprojektowany z uwzględnieniem wykorzystania zrzutów lub też bez ich wykorzystania. Te założenia rzutują na trasy doprowadzalników i rowów odpływowych oraz na wzajemny układ kwater.

W układzie zależnym (rys. 49) rolę głównego doprowadzalnika i głównego rowu odpływowego spełnia jeden kanał, biegnący zazwyczaj środkiem szeregu kwater uformowanych przez prostopadłe do osi doliny groble. Na kanale w przekrojach poszczególnych grobli, znajdują się zastawki do piętrzenia wody i regulowania przepływu. Rozwiązanie to, oszczędne z punktu widzenia inwestycyjnego, jest mało elastyczne w eksploatacji i nie pozwala na zróżnicowanie użytkowania kwater zależnych jedna od drugiej pod względem gospodarki wodnej.

Układ niezależny zapewnia osobne doprowadzenie i odprowadzenie wody z każdej kwatery (rys. 50), umożliwia zróżnicowanie użytkowania oraz jest sprawniejszy w eksploatacji, ale oczywiście kosztowniejszy jako inwestycja.

W projekcie nawodnienia zalewowego należy przewidzieć dobre osuszenie terenu. W razie stałego, głębokiego zalegania wód gruntowych na użytkach zielonych wystarcza dość rzadka sieć płytkich rowów, odprowadzająca skutecznie wody powierzchniowe. Jeśli natomiast wody gruntowe występują przez dłuższy okres blisko powierzchni, to rozstawę rowów trzeba obliczyć metodami hydraulicznymi, zakładając dopuszczalny czas (np.7-10 dni) obniżenia zwierciadła wody gruntowej po zalewie na głębokość optymalną w danych warunkach glebowych. Rozstawy rowów osuszających kształtują się najczęściej w przedziale 40-70 m.

Dodatkowe trudności przy nawodnieniach zalewowych stwarza sieć komunikacji wewnętrznych. Korona grobli, na których biegną drogi, musi być wzniesiona, co najmniej 50 cm nad rzędną zalewu i mieć szerokość 2-3 m. Należy również przewidzieć przejazdy przez groble międzykwaterowe.

Rys. 49. Schemat eksploatacyjny nawadniania zalewowego w układzie zależnym.

Rys. 50. Schemat eksploatacyjny nawadniania zalewowego w układzie niezależnym.

4.2 Prowadzenie nawodnień zalewowych

Schemat eksploatacyjny nawodnień zależy od wielkości dopływu dyspozycyjnego i ma bardzo poważny wpływ na rozwiązania techniczne i wymiary urządzeń.

Zalew stojący w układzie niezależnym może być realizowany tylko przy dużych dopływach; kolejność nawadniania kwater nie jest ograniczona ich położeniem i sposobem rozrządu wody, lecz wynika z potrzeb rolniczych i organizacyjnych. Straty wody są wtedy znaczne, gdyż zrzuty z każdej kwatery odprowadza się wprost do rowu odpływowego, natomiast efekty użyźniające mogą być całkowicie regulowane, ponieważ kwatera korzysta zawsze ze świeżej wody.

Zalew stojący w układzie zależnym można prowadzić w dwojaki sposób. Jeżeli dysponujemy dużym dopływem, to daną grupę kwater nawadnia się poczynając od kwatery najniższej i w tej samej kolejności następuje odwodnienie. Każda kwatera otrzymuje wtedy świeżą wodę, lecz zrzuty nie są wykorzystywane. Przy małych ilościach wody należy wykorzystywać zrzuty i nawodnienia rozpoczynać od kwatery najwyższej, co jednak powoduje, że kwatery dolne zasilane są wodą przynajmniej częściowo zubożoną. Dla zapewnienia równomierności działania użyźniającego byłaby celowa coroczna zmiana kolejności nawodnień. Na małych spadkach terenu zarówno pierwszy, jak drugi sposób nawadniania nie usuwa zasadniczych niedogodności układu zależnego - podtapiania górnych kwater przez dolne.

Przy zalewie stojącym rozróżniamy czas niezbędny do napełnienia kwatery oraz czas tzw. postoju, który należy przewidzieć, jeśli w fazie napełniania nie zostałby osiągnięty cel nawadniania, a więc wsiąknięcie założonej dawki wody lub osadzenie określonej ilości namułów na powierzchni terenu.

Łączny czas trwania zalewu na łąkach nie powinien w okresie wegetacji przekraczać 2-3 dni, a na wiosnę przed ruszeniem wegetacji traw zalew może być dłuższy - do 7 dni.

Zalew z przepływem stosowany bywa obecnie rzadko i tylko w układzie zależnym. Zalew z przepływem wymaga znacznego dopływu sekundowego (przeważnie większego niż 30 dm³⋅s^-1⋅ha^-1), głębokości wody na kwaterze są niewielkie (10-15 cm), a czas trwania nawadniania może być dłuższy niż w przypadku zalewu stojącego, ponieważ dzięki przepływowi uzyskuje się wodę ruchliwą, natlenioną.

XI. Obliczanie nawodnień zalewowych

Podczas każdego nawadniania zalewowego, niezależnie od jego celu, odmiany lub formy eksploatacyjnej, występują trzy kolejne fazy:

• napełniania kwatery do żądanego poziomu,

• podtrzymania zalewu,

• zrzutu wody z kwatery.

Urządzenia doprowadzające i spustowe muszą zapewnić sprawne wykonanie zadań każdej fazy, wśród których szczególnej uwagi wymaga napełnianie kwatery, jako fazy najważniejszej, decydującej o możliwości zrealizowania nawadniania.

Ze względu na glebowo-wodne warunki nawadnianego profilu należy wyróżnić w obliczeniowych schematach hydraulicznych dwa przypadki, wymagające odrębnego podejścia:

• nawadnianie przy bliskim zaleganiu wód gruntowych,

• nawadnianie przy głębokim zaleganiu wód gruntowych.

1. Nawodnienia zalewowe w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych.

1. F a z a n a p e ł n i a n i a k w a t e r y

Jeśli zwierciadło wód gruntowych leży stosunkowo blisko pod powierzchnią terenu, a grunt jest przynajmniej średnio przepuszczalny, to istnieje duża możliwość, że już w trakcie fazy pierwszej zbiornik podziemny zdoła się całkowicie wypełnić do granic wyznaczonych przez pełną pojemność wodną warstwy aeracji.

Do schematu nawadniania (rys. 51) wprowadzamy następujące oznaczenia:

F - powierzchnia kwatery w ha,

h - średnia głębokość zalewu w m sł. wody,

ΔW - średnia objętość zbiornika podziemnego w m sł. wody, równa różnicy pomiędzy pełną pojemnością wodną, a początkowym zapasem wody, zawartej w warstwie H_p ponad zwierciadłem wody gruntowej. Wartość ΔW można wyznaczyć z typowych wykresów uwilgotnienia,

T - czas efektywny niezbędny do wykonania zalewu kwatery w dobach,

Q - dopływ na kwaterę w dm³⋅s^-1,

q - dopływ jednostkowy równy Q/F.

Rys. 51. Schemat nawadniania zalewowego przy płytkim zaleganiu wody gruntowej.

a) przekrój podłużny przez kwaterę, b) uwilgotnienie profilu w fazie zalewu, c) uwilgotnienie profilu po zakończeniu zalewu

Wzór wiążący parametry nawadniania będzie dość prosty: objętość wody dopływającej na kwaterę w czasie T powinna wypełnić zbiornik nadziemny i podziemny. Pomijając straty na przesiąki pod groblami i straty na parowanie z wolnej powierzchni wody na kwaterze, otrzymamy równanie bilansu wodnego netto w postaci:

lub

Stosując te wzory należy pamiętać o sprowadzeniu składowych do jednakowych jednostek miar. Najczęściej wyrażamy:

F - ha,

h - metry słupa wody,

ΔW - metry słupa wody,

T - doby,

Q - dm³⋅s^-1,

q - dm³⋅s^-1⋅ha^-1.

Przy tych jednostkach równanie bilansu ma postać:

lub

Jeśli h i ΔW wyrazić w mm słupa wody, to na dopływ jednostkowy otrzymuje się prostą formułę:

Ponieważ w projekcie zakładamy napełnienie kwatery h i wynikającą z warunków glebowo-wodnych objętość zbiornika podziemnego ΔW, (które to wielkości w sumie reprezentują dawkę nawodnienia), stąd z powyższych wzorów wyznaczamy dopływ lub czas, przyjmując jedną z tych wielkości, jako założenie uzupełniające.

Aby znaleźć dopływ brutto, należy jeszcze uwzględnić straty na kwaterze.

1. Straty na parowanie z wolnej powierzchni wody w trakcie zalewu są w naszym klimacie na ogół bardzo małe (kilka mm na dobę) i przy krótkich czasach zalewu oraz dużych napełnieniach kwatery mogą być pomijane. Parowanie dobowe można wyrazić w przybliżeniu wzorem:

E = 0,5 d [mm⋅doba^-1],

gdzie:

d - średni dobowy niedosyt wilgotności powietrza w hektopaskalach. Dopływ jednostkowy na pokrycie parowania równa się:

a dodatkowy dopływ na kwaterę wynosi:

2. W przypadku bliskiego zalegania wód gruntowych straty na przesiąki mogą być poważniejsze tylko w razie niekorzystnego stosunku obwodu kwatery do jej powierzchni i przy bardzo przepuszczalnym podłożu. Podczas nawadniania szeregu kwater straty pomiędzy kwaterami ulegają wyrównaniu. Stratę na przesiąki wzdłuż obwodu zalewanej kwatery można oszacować w następujący sposób:

,

gdzie:

L - długość obwodu groblowanego w km,

H₀ - stan wody na kwaterze (w m), przy którym pojawiają się znaczniejsze przesiąki,

H₁ - projektowany stan wody na kwaterze zalewanej w metrach. Stany H₀ i H₁ liczone są od poziomu wody w zewnętrznych rowach odpływowych,

q_p - przesiąk jednostkowy w dm³⋅s^-1⋅km^-1,

Rys. 52. Przesiąki pod groblą na obwodzie kwatery.

Orientacyjne wartości przesiąków q_p, przy różnicy H₁-H₀= 1 m, wynoszą:

• grunty nieprzepuszczalne 5 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty słabo przepuszczalne 10 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty średnio przepuszczalne 20 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty przepuszczalne 30 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty bardzo przepuszczalne 50 dm³⋅s^-1⋅km^-1.

Przy H₁-H₀=0 przesiąk q_p=0.

Oczywiście w przypadkach poważniejszych należy przesiąki pod groblami wyznaczać według zasad ogólnych i znanych wzorów na filtrację pod budowlami wodnymi. Dopływ na kwaterę z uwzględnieniem strat - dopływ brutto, wyniesie:

Pozostaje jeszcze do omówienia bardzo ważne zagadnienie, mianowicie obiektywne kryterium dla stosowania wyprowadzonych wzorów na zalew kwatery z bliskim zwierciadłem wody gruntowej. Przy zestawieniu bilansu nawodnienia zrobiono założenie, że w czasie zalewu T wypełnia się całkowicie zbiornik podziemny ΔW. Ponieważ sprawy tej z góry nie można przesądzić, należy w każdym przypadku po wykonaniu obliczeń założenie to sprawdzić.

Prędkość wsiąkania wody w profil glebowy wyraża się wzorem empirycznym Kostiakowa:

oraz

,

gdzie:

ω_t - prędkość wsiąkania w momencie t,

ω₁ - prędkość wsiąkania po upływie pierwszej jednostki czasu,

V_0-t - objętość wody (w mm słupa) wsiąkającej w czasie od 0 do t,

ω_0-1 - objętość wody (w mm słupa) wsiąkającej w pierwszej jednostce czasu, czyli początkowa średnia prędkość wsiąkania równa:

,

α - współczynnik o wartości od -0,2 do -0,8.

Zgodnie z powyższym wzorem, czas niezbędny do wsiąknięcia objętości wody ΔW, wypełniającej zbiornik podziemny wyniesie:

Jeśli prędkość wsiąkania jest stała i równa ω (mm) w jednostce czasu, to α = 0 i wzór na czas wsiąkania uprości się do formy:

Porównując czas zalewu T, obliczony z wzorów przy założeniu bliskiego zwierciadła wody gruntowej, z czasem t niezbędnym na wsiąknięcie objętości wody ΔW, możemy ocenić słuszność przyjętej hipotezy i prawidłowość posłużenia się danym wzorem. Mianowicie:

• gdy T > t, to istotnie zachodzi przypadek bliskiego zwierciadła wody gruntowej; zbiornik podziemny zdoła napełnić się w czasie krótszym, niż trwa całkowite napełnianie kwatery,

• gdy T < t, to pomimo, że zwierciadło wody gruntowej według subiektywnej oceny zalegałoby blisko pod powierzchnią, mamy w rzeczywistości przypadek głębokiego zwierciadła wody gruntowej. W czasie T nie zdoła wsiąknąć objętość ΔW i obliczenie czasu nawodnienia musi być dokonane za pomocą innych wzorów.

2. F a z a p o d t r z y m a n i a z a l e w u i z r z u t u w o d y z k w a t e r y.

Podtrzymanie zalewu stojącego wymaga niewielkich objętości dopływu, przeznaczonych na pokrycie strat wynikających z parowania i przesiąków. Natomiast w przypadku nawadniania zalewowego z przepływem może być potrzebny w fazie drugiej dość znaczny dopływ (kilkadziesiąt litrów na sekundę i hektar), zależnie od celu nawodnienia i projektowanej prędkości wody na kwaterze.

Po zakończeniu fazy podtrzymania zalewu następuje zrzut wody z kwatery. Objętość odpływu składa się tu z objętości opróżnianego zbiornika nadziemnego o średnim napełnieniu h oraz z objętości zbiornika podziemnego ΔW_z. Wielkość ΔW_z odpowiada odciekalności profilu glebowego i stanowi różnicę między pełną pojemnością wodną, a polową pojemnością wodną w warstwie H_k nad zwierciadłem wody gruntowej, które przewiduje się utrzymać po nawodnieniu. Oznaczając przez T_z czas opróżniania kwatery w dobach znajdujemy średni jednostkowy odpływ, miarodajny dla wymiarowania urządzeń spustowych, ze wzoru:

,

gdzie:

h i ΔW_z - wyrażone są w mm słupa wody.

2. Nawodnienia zalewowe w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych

Jeżeli objętość zbiornika podziemnego przed nawodnieniem (równa objętości nie zajętej przez wodę w strefie aeracji) jest duża, a przepuszczalność gruntu niewielka, to w czasie napełniania kwatery może wsiąknąć ilość wody znacznie mniejsza, niż potrzeba jej do wypełnienia całego potencjalnego zbiornika podziemnego. Z drugiej strony istnienie dużego zbiornika podziemnego przy dużej przepuszczalności gruntu utrudnia lub wprost uniemożliwia szybkie wykonanie zalewu, który wymagałby ponadto bardzo dużego dopływu jednostkowego.

Rozpatrzmy przypadek najprostszy, przy założeniu następujących warunków:

• prędkość wsiąkania wody w grunt podczas trwania zalewu waha się w niewielkich granicach i może być przyjęta jako wielkość stała,

• zbiornik podziemny nie wypełnia się całkowicie podczas zalewu, a więc może być traktowany jako nieograniczony.

Ze względu na powiązania wewnętrzne nie wszystkie parametry nawadniania mogą być dowolnie obierane. Dotyczy to szczególnie powierzchni kwatery i dopływu, które przy danej prędkości wsiąkania powinny być związane nierównością:

Q ≥ F∙ω

lub

q ≥ ω

Gdyby nierówność ta nie była spełniona, to osiągnięcie zalewu o powierzchni F i wysokości 2h nie byłoby praktycznie biorąc możliwe. W pewnym momencie, po zalaniu części kwatery, dopływ wystarczałby zaledwie na pokrycie wsiąkania i dalsze napełnianie kwatery uległoby zahamowaniu.

Wychodząc z bilansu wodnego dla okresu całkowitego napełniania kwatery:

Q * T = h * F + μ * ω * F * T

Autorzy wprowadzają współczynnik nierównomierności zalewu μ ≤ 1, który uwzględnia fakt, że w czasie od 0 do T kwatera jest zalana tylko częściowo i powierzchnia zalewu jest w każdym momencie mniejsza od końcowej powierzchni F, a czasy przebywania pod wodą poszczególnych części powierzchni kwatery są mniejsze od T.

Skotnicki przyjął współczynnik μ = 0,5, Zakaszewski otrzymał μ = 0,67, Kostiakow przyjmuje μ = 1. Założenie Kostiakowa odpowiada zupełnie ściśle tylko warunkom pracy płaskiego pola ryżowego o poziomej powierzchni, która momentalnie zostaje pokryta wodą, a dopiero w trakcie dalszego zalewu następuje równomierne napełnianie całej kwatery do żądanej głębokości. Obliczenia Ostromęckiego wykazały, że znacznie lepsze przybliżenie wzoru teoretycznego daje współczynnik nierównomierności μ = 0,75, a równanie bilansowe ma postać:

,

z którego otrzymuje się czas napełniania:

Ogólne kryterium stosowalności wzorów na zalew w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych jest następujące: jeśli zbiornik podziemny ma objętość wprawdzie dużą, lecz ograniczoną i równą ΔW, to czas niezbędny na jego wypełnienie przy stałej prędkości wsiąkania w wyniesie:

Gdy czas zalewu T obliczony z wzoru (przy μ = 0,75) jest mniejszy od czasu wsiąkania t, to istotnie mamy przypadek głębokiego zwierciadła wód gruntowych. Podczas zalewu nie zdoła się wypełnić cały potencjalny zbiornik podziemny i zastosowanie przytoczonych wzorów jest uzasadnione. Jeżeli natomiast z obliczeń otrzymamy T * t, to zbiornik podziemny zostałby w czasie napełniania kwatery całkowicie wypełniony. W tym przypadku nawodnienie należy traktować jako prowadzone w warunkach płytkiego zwierciadła wody gruntowej i zastosować odpowiednie wzory.

3. Współczynniki wykorzystania wody w nawodnieniach zalewowych

Oznaczając przez:

F - powierzchnię kwatery,

d - dawkę polewową netto,

Q - dopływ w fazie napełniania,

T - czas napełniania,

Q_p - dopływ w fazie podtrzymywania zalewu,

T_p - czas podtrzymania zalewu, otrzymujemy następujące wyrażenie na współczynnik wykorzystania wody na kwaterze podczas jednego nawadniania zalewowego:

lub uwzględniając, że

Q = q * F

oraz

Q_p = q_p * F

Współczynniki wykorzystania wody są przy nawodnieniach zalewowych, zwłaszcza zwilżających, na ogół bardzo niskie i dla pojedynczej kwatery kształtują się w przedziale 0,2-0,3. W razie wykorzystania zrzutów można współczynniki te w obrębie obiektu lub kompleksu znacznie podwyższyć.

XII. Nawodnienia nasiąkowe

Typ nawodnień nasiąkowych obejmuje systemy stokowe i bruzdowe z wieloma odmianami i formami, powstałymi w różnych warunkach gleowo-klimatycznych i rolniczo-gospodarczych.

1. Systemy stokowe

1. Dane ogólne

Systemy stokowe dzięki swemu zróżnicowaniu mogą być stosowane w różnorodnych warunkach produkcyjnych, glebowych i topograficznych, na spadkach w przedziale 1-100‰ i przy dysponowaniu zarówno dużym, jak małym dopływem. Nadają się do nawadniania wodami czystymi i ściekowymi.

Zasada ogólna działania nawodnień stokowych polega na wyprowadzeniu strugi wody z sieci rozprowadzającej na powierzchnię terenu, po którym woda spływa wzdłuż spadku cienką warstwą (2-5 cm) wsiąkając w głąb profilu (rys. 53).

Rys. 53. Schemat nawodnień stokowych.

a) ruch wody po stoku i kolejne zasięgi wsiąkania wody w glebę, b) rozkłady uwilgotnienia w profilu glebowym A i C w momencie, gdy woda na stoku dobiega do punktu D. w₀ - wilgotność początkowa, w - wilgotność aktualna, S - faza stała gleby.

Systemy stokowe nadają się do nawodnień pozawegetacyjnych lub wegetacyjnych, zwilżających, użyźniających zarówno na łąkach, jak i na gruntach ornych. Dużą zaletę systemów stokowych stanowi ruchliwość wody (natlenianie) oraz możliwość realizowania częstych i małych dawek - gleba nie bywa okresowo tak przeciążona wilgocią, jak po zalewie. Do stron ujemnych należy zaliczyć stosunkowo małe powierzchnie kwater (utrudnienie mechanizacji upraw), wynikające z istoty samego sposobu rozprowadzania wody, tj. za pomocą gęstej sieci szczegółowych urządzeń nawadniających, dostosowanych do ukształtowania terenu. Systemy stokowe wymagają bardzo starannej konserwacji i dobrze zorganizowanego rozrządu wody.

W nawodnieniach stokowych wyodrębniono cztery systemy oparte na zróżnicowaniu sieci doprowadzającej, rozdzielczej i rozprowadzającej (tab. 9).

Tabela 9. Podział nawodnień stokowych

Systemy	Odmiany	Formy
1. System stoków jednospadowych	1a. Stoki naturalne 1b. Stoki sztucznie formowane 2a. Bez sieci rozdzielczej 2b. Z siecią rozdzielczą i rozprowadzającą 3a. Sieć nawaniająca otwarta 3b. Sieć nawadniająca w postaci rurociągów 4a. Bez szczegółowej sieci odwadniającej 4b. Z siecią odwadniającą	1. Bez wykorzystania zrzutów 2. Z wykorzystaniem zrzutów 3. Z naprzemianległym wykorzystaniem zrzutów
2. System grzbietowy	1a. Grzbiety naturalne 1b. Grzbiety sztucznie formowane	1. Bez wykorzystania zrzutów 2. Z wykorzystaniem zrzutów
3. System rowów rozlewowych	1a. Stoki naturalne, niewyrównywane 1b. Stoki sztucznie formowane 2a. Rozlew jednostronny 2b. Rozlew dwustronny 3a. Układ kwater krótkich 3b. Układ kwater wydłużonych	1. Bez wykorzystania zrzutów 2. Z wykorzystaniem zrzutów
4. System smug	1a. Stoki naturalne 1b. Stoki wyrównywane 2a. Sieć nawadniająca otwarta 2b. Sieć nawadniająca w postaci rurociągów	1. Smugi właściwe 2. Smugo-bruzdy obsiewane

2. System stoków jednospadowych

W tym systemie sieć rozprowadzająca w postaci małych rowków lub bruzd rozlewowych biegnie wzdłuż warstwic, prawie poziomo lub z niewielkim spadkiem. Sieć rozdzielcza, która ją zasila, poprowadzona jest po największym spadku, a doprowadzalnik usytuowany bywa równolegle lub nieco skośnie do warstwic. Wytwarza się w ten sposób szereg kwater o jednokierunkowym spadku od doprowadzalnika do rowu odpływowego, położonego w najniższych częściach terenu. Ruch wody po powierzchni odbywa się po liniach największego spadku, prostopadle do warstwic.

Stoki naturalne

W terenie płaskim o niezróżnicowanym mikroreliefie, lecz przy spadkach większych od 4-5‰, stoki jednospadowe w układzie regularnym mogą być uzyskane bez wyrównywania powierzchni lub nadawania sztucznego spadku. Jako najdogodniejszy uważany jest dla łąk spadek naturalny 20-100‰, spadek maksymalny dopuszczalny na polach ornych ze względu na erozję wynosi 50‰.

Rys. 54. Rozplanowanie sieci nawadniającej w systemie stoków jednospadowych.

a) Odmiana najprostsza bez sieci rozdzielczej i odwadniającej, b) Odmiana z siecią rozdzielczą, c) Odmiana z siecią rozdzielcza i odwadniającą, d) Odmiana z naprzemianległym wykorzystaniem zrzutów. Oznaczenia: D - doprowadzalnik, r.r - rów rozdzielczy, b.r - bruzda rozlewowi, b -bruzda rozpraszająca, Z - zastawka, w - wpust, b.o - bruzda odwadniająca, r.o - rów odwadniający, R - rów odpływowy.

Odmiana najprostsza (schemat a) bez sieci rozdzielczej i odwadniającej ma jedną tylko bruzdę rozlewową i szereg poziomych bruzd rozpraszających prowadzonych wzdłuż warstwic, których zadaniem jest równomierne rozprowadzenie wody po długim stoku z pełnym wykorzystaniem zrzutów. To rozwiązanie nadaje się na łąki podgórskie. Należy jednak zauważyć, że kwatera najniższa otrzymuje zawsze tylko wodę zrzutową z kwater wyższych i efekt melioracyjno-nawożący jest tu ograniczony.

Wprowadzenie sieci rozdzielczej (schemat b) z przenośnymi zastawkami usuwa tę niedogodność, nawadnianie można wtedy realizować w dwojaki sposób:

• rozpoczynać od górnej kwatery, ze zrzutem i częściowym dopływem świeżej wody na kwatery niżej położone,

• rozpoczynać od kwatery dolnej, włączając kolejno kwatery wyższe zasilane zawsze dopływem świeżej wody.

Ten rozrząd wody, zapewniający równomierne użyźnianie i jednocześnie wykorzystanie zrzutów, można stosować na obiektach nawadnianych ściekami.

Na glebach cięższych, skłonnych do zabagnień lub przy płytkim zaleganiu wód gruntowych, sieć nawadniająca uzupełniana jest siecią odwadniającą (schemat c). Układ ten gwarantuje większą elastyczność w gospodarowaniu wodą i utrzymanie pożądanego uwilgotnienia, ale dodatkowy element - sieć odwadniająca, zmniejsza powierzchnię kwatery (dwukrotnie w porównaniu do schematu b) i utrudnia uprawy.

W terenie o małych spadkach można uzyskać wykorzystanie zrzutów przy rozplanowaniu pokazanym na schemacie d. Woda zrzutowa nie spływa na kwaterę bezpośrednio przyległą, lecz za pomocą krótkich rowków przerzutowych prowadzona jest na kwaterę dalszą. Rozwiązanie to wytwarza jednak zbyt małe powierzchnie kwater, a sieć rowków przecinających kwatery utrudnia przejazdy i zabiegi rolnicze.

Przy nawadnianiu o charakterze tylko zwilżającym czas trwania nawadniania kwatery w systemie stoków jednospadowych jest krótki (kilkanaście lub kilkadziesiąt minut) i ogranicza się do czasu potrzebnego na dotarcie strugi wody do końca stoku. W przypadku nawodnień użyźniających lub prowadzonych z wykorzystaniem zrzutów zachodzi konieczność podtrzymania dopływu przez dłuższy czas.

Niezbędny dopływ sekundowy zależy od wielu czynników: spadku i szorstkości powierzchni, długości stoku, przepuszczalności gleby, wielkości projektowanej dawki, dopuszczalnej nierównomierności uwilgotnienia itd. i musi być ustalany przez obliczenia oraz kontrolowany w toku eksploatacji. W układach przedstawionych na rysunku 54 na 1 ha jednocześnie nawadnianej powierzchni potrzebny jest dopływ 50-150 dm³∙s^-1. Dopływ bezpośrednio zasilający czynne rozlewowe elementy sieci nie powinien być mniejszy niż 10 dm³∙s^-1 na każde 100 m długości bruzdy nawadniającej.

Stoki sztucznie formowane

W terenie o bardzo małych spadkach możliwe jest sztuczne wytworzenie stoków jednospadowych z siecią otwartą według schematu pokazanego na rysunku 55. System ten stosowany jest obecnie bardzo rzadko, nie tylko ze względu na sam koszt robót ziemnych, ile z powodu trudności w eksploatacji i konserwacji sieci oraz w rolniczym użytkowaniu małych kwater.

Rys. 55. Stoki jednospadowe sztucznie formowane

b.o - bruzda odwadniająca, b.r - bruzda rozlewowa

Rozlew z rur

Otwarta sieć doprowadzalników, rowów rozdzielczych i rozlewowych powoduje duże utrudnienia w rolniczym użytkowaniu powierzchni nawadnianej systemem naturalnych stoków jednospadowych. W niektórych przypadkach można otwartą sieć doprowadzającą zastąpić stałymi rurociągami krytymi, pracującymi pod niewielkim ciśnieniem (0,5 at). Rozprowadzenie wody po stoku odbywa się wtedy za pośrednictwem rurociągów rozlewowych przenośnych o znacznej długości (do 300 m), zasilanych z hydrantów rurociągu stałego. Sposób ten usprawnia wszelkie prace polowe, ale obciąża eksploatację dodatkowym kosztem przenoszenia rurociągów.

Rozlew z rur stosowany jest w krajach alpejskich na łąkach i pastwiskach do nawożącego nawadniania gnojowicą terenów o bardzo urozmaiconej rzeźbie, w terenach płaskich może okazać się celowym na polach przeznaczonych do rolniczego wykorzystania ścieków.

1. System grzbietowy

W systemie tym rowki rozlewowi biegną po grzbietach naturalnych lub sztucznych, wzdłuż głównych spadków terenu. Doprowadzalniki (względnie rowy rozdzielcze) prowadzone są z niewielkim spadkiem prawie równolegle do warstwic.

W terenach o małych spadkach, lecz przy dość urozmaiconej rzeźbie możliwe jest wykorzystanie grzbietów naturalnych (rys. 56a).

Do starszych systemów o znaczeniu raczej historycznym należą grzbiety sztucznie formowane (rys. 56b), które umożliwiały nawadnianie terenów o zbyt małych spadkach, nieodpowiednich dla innego sposobu nawodnienia stokowego.

Rys. 56. System grzbietowy

a) Grzbiety naturalne w urozmaiconym terenie; D - doprowadzalniki, b.r - bruzdy rozlewowe, r.o - rowy odwadniające. b) Grzbiety sztucznie formowane w terenach płaskich.

2. System rowów rozlewowych

W systemie rowów rozlewowych funkcje doprowadzenia i rozprowadzenia wody są spełniane przez ten sam element sieci nawadniającej - rów prowadzony częściowo w wykopie, częściowo w nasypie po grzbietach i wyniosłościach terenu. Rów rozlewowy ma zazwyczaj znaczną długość, a odpowiednie wymiary poprzeczne zapewniają transport dużych ilości wody. W profilu podłużnym krawędzie rowu rozlewowego mają bardzo mały spadek lub na kilkudziesięciometrowych odcinkach są wyrównywane do poziomu. Woda spiętrzona zastawkami przelewa się kilkucentymetrową warstwą przez krawędź rowu, lub koronę grobelki i spływa po stoku. Rowy odwadniające biegną kotlinami i trasowane są prawie równolegle do sieci nawadniającej.

Ze względu na możliwość wytworzenia kwater o dużych powierzchniach system rowów rozlewowych nadaje się nie tylko do nawadniania łąk ale i pastwisk, oczywiście po odpowiednim ogrodzeniu urządzeń.

W sytuacjach, gdy rzeźba terenu jest dość regularna i nie stawiamy wysokich wymagań, co do równomierności nawadniania, rowy rozlewowe mogą być projektowane bez wyrównywania powierzchni stoków (rys. 57). Zachowuje się wtedy ogólną zasadę trasowania rowu po grzbietach, a istnienie wyraźnie wykształconych spadków poprzecznych od rowu nawadniającego do odwadniającego nie jest konieczne.

Jeżeli spadki poprzeczne są małe, np. 1-2‰, lub też występują lokalne nierówności w mikroreliefie, prowadzi się rów rozlewowy w częściowym nasypie tak, aby korona grobelek przelewowych wznosiła się 10-30 cm ponad terenem. Wobec stosunkowo dużego dopływu przewidzianego na jednostkę szerokości stoku, można uzyskać nawodnienie stoków o długości 30-50, a nawet 70 m. Należy też dodać, że pod działaniem nawodnień następuje intensywniejszy rozwój darni w pasie przyległym do rowu rozlewowego (namulanie i zasilanie świeżą wodą), co doprowadza z czasem do lokalnego podniesienia powierzchni i zwiększenia spadku poprzecznego.

Rowy rozlewowe bez wyrównania powierzchni stoków nadają się do nawadniania gleb średnio przepuszczalnych, nie zabagniających się, o niskim stanie wód gruntowych. Zastawki piętrzące rozmieszczane są co 50 m, w przypadkach stosowania przelewu dwustronnego i co 100 m przy przelewie jednostronnym. Niezbędną wielkość dopływu ustala się według obliczeń, a orientacyjnie na 100 m przelewu jednostronnego potrzeba 50-100 dm³⋅s^-1. Przy średniej długości stoku (50 m) reprezentuje to dopływ 100-200 dm³⋅s^-1 na hektar jednocześnie nawadnianej powierzchni.

Rys. 57. System rowów rozlewowych bez sztucznego wyrównywania powierzchni.

a) Plan sieci rowów z zastawkami, b) Przekrój poprzeczny stoków. A - teren pierwotny, B - teren namulony i wyrównany dzięki nawodnieniom, c) Profil podłużny rowu rozlewowego. P - poziome krawędzie grobli przelewowych, Z - zastawki, d) Przekrój poprzeczny rowu rozlewowego, e) Przekrój rowu odwadniającego. Wymiary w metrach.

Jeżeli od nawodnień rowami rozlewowymi wymaga się dużej równomierności rozprowadzania wody i zawiesin po stoku oraz wysokiego współczynnika wykorzystania wody, to w terenach:

• płaskich o małych spadkach, lecz o zróżnicowanym mikroreliefie,

• o dużych spadkach i urozmaiconej rzeźbie, zachodzi konieczność wyrównywania powierzchni i sztucznego formowania stoków.

Jest to więc odmiana zbliżona do systemu grzbietów sztucznych, lecz różni się od niego znacznie większymi wymiarami sieci nawadniającej i powierzchni pól.

Zrealizowanie równomiernego dopływu na stok z zachowaniem cienkiej warstwy przelewającej się wody (2-5 cm) na stosunkowo znacznej długości rowu rozlewowego (50-100 m) wymaga bardzo starannej konserwacji krawędzi i utrzymania korony grobelek na ustalonych rzędnych. Trudności konstrukcyjne i eksploatacyjne występują szczególnie w sieci urządzeń na terenach płaskich o małych spadkach.

1. System smug

System smug nazywany też nawodnieniem pasmowym nadaje się przede wszystkim do nawadniania płaskich gruntów ornych (spadki 0,5-20‰), chociaż jego zastosowanie możliwe jest i na łąkach. Zasada tego systemu polega na rozplanowaniu sieci doprowadzającej wzdłuż spadków terenu, a sieci rozdzielczej wzdłuż warstwic. Sieć rozdzielczą stanowią rowy wykonane częściowo w nasypie tak, aby zwierciadło wody górowało 5-10 cm nad terenem. Zamiast sieci otwartej mogą być stosowane rurociągi stałe lub przenośne o niskim ciśnieniu.

Prostopadle do sieci rozdzielczej, a więc wzdłuż spadku, wykonane są niskie grobelki dzielące pole na szereg wąskich długich smug (rys. 58a). Grobelki mogą być stałe (łąki) lub czasowe (grunty orne), formowane podczas upraw.

Pobór wody z sieci otwartej odbywa się przez wpusty rurowe, woda dzięki ograniczającym grobelkom może spływać równomiernie po długiej smudze. Niezbędne dopływy kształtują się w granicach 3-7 dm³⋅s^-1 i 1 m szerokości smugi.

System smug nie utrudnia upraw pielęgnacyjnych i zbiorów, więc może być używany nie tylko do nawodnień pozawegetacyjnych, ale i do nawodnień wegetacyjnych takich roślin jak zbożowe. W naszych warunkach smugi mogą znaleźć zastosowanie przy rolniczym wykorzystaniu ścieków.

Rys. 58. System nawodnień smużnych.

a) Schemat podstawowy. b) Nawadnianie smużne za pomocą rozlewu z rur przenosnych. R - rurociąg podziemny stały, r - rurociągi przenośne, H - hydranty, L.c. - linia ciśnień, c) Smugo-bruzdy obsiewane. Wymiary w metrach.

Oprócz zasilania smugi bezpośrednio z sieci rozdzielczej (rowu lub rurociągu) rozprowadzanie wody może się odbywać pośrednio przez rozlew z rur przenośnych (rys. 58b). W tym układzie doprowadzalnik stanowi stały rurociąg, prowadzący wodę pod małym ciśnieniem, zaopatrzony w hydranty. Rurociąg przenośny (aluminium, tworzywa sztuczne) podłączony do hydrantów i ułożony wzdłuż spadku, pracuje najpierw na całej długości, rozlewając wodę na najniższą część kwatery. Po odpowiednim czasie odłącza się kolejno odcinki rurociągu i przenosi na sąsiedni pas. W ten sposób nawet na terenie płaskim może być nawodniony pas o długości do 400 m.

Formę pośrednią między właściwym systemem smug, a systemem bruzdowym stanowią smugo-bruzdy obsiewane, które powstają przez rozoranie płytkiej i szerokie żłobiny, a gleba rozsunięta na boki formuje niewielkie wzniesienia (rys. 58c). Ten układ zapewnia dobre rozprowadzenie wody, nie zmniejsza powierzchni produkcyjnej, a jednocześnie nie przeszkadza w mechanizacji upraw i zbiorów.

2. Systemy bruzdowe

System smug pomimo niewątpliwych zalet ma też pewne wady:

• konieczność wyrównywania powierzchni na małych spadkach,

• konieczność operowania dużym dopływem na jednostkę szerokości smugi,

• możliwość niszczenia struktury gleby i powstawania zjawisk erozyjnych.

Z tych względów w skali światowej na gruntach ornych, w sadach i przy uprawie warzyw bardziej rozpowszechnione są różnego rodzaju nawodnienia bruzdowe.

Systemy bruzdowe, w których woda rozprowadzana jest po polu liniowo, skoncentrowaną strugą, mogą służyć do nawodnień wegetacyjnych lub pozawegetacyjnych wielu roślin na terenach o spadkach 1-100* i glebach o różnej przepuszczalności. Bruzdy, o głębokości przeciętnej 15-25 cm i przekroju poprzecznym zbliżonym do trapezowego, wykonuje się w toku upraw polowych specjalnymi narzędziami.

Na małych spadkach bruzdy nawadniające wyorywane są wzdłuż największego spadku, a zasilająca je sieć bruzd rozdzielczych biegnie wzdłuż warstwic. Ponieważ optymalny spadek bruzd kształtuje się w przedziale 5-30*, dlatego w terenach o większych spadkach bruzdy nawadniające są prowadzone skośnie do warstwic, a odpowiednio do tego trasuje się sieć doprowadzającą i rozdzielczą. Układ bruzd rozdzielczych powinien być w zasadzie regularny i prostoliniowy, niekiedy jednak w terenie bardziej urozmaiconym sieć rozdzielcza ma kształty krzywoliniowe. Długość bruzd nawadniających może być różna, od 30-450 m, najczęściej zaś wynosi 100-200 m. Niezbędny dopływ na jedną bruzdę waha się od 0,2-1,5 dm³⋅s^-1.

Woda napełniająca bruzdę u wlotu, zazwyczaj do dwóch trzecich jej głębokości, posuwa się wzdłuż bruzdy i przez obwód zwilżony wsiąka w głąb profilu. Wskutek działania sił kapilarnych woda rozchodzi się również w kierunku poprzecznym do bruzdy (rys. 59). Ten sposób zwilżania gleby nie niszczy struktury i umożliwia nawadnianie bez przekroczenia polowej pojemności wodnej profilu. Obok tych stron pozytywnych odnotować należy niektóre uboczne objawy ujemne, towarzyszące nawodnieniom bruzdowym w strefach posusznych - pod wpływem silnego parowania występuje przemieszczanie się soli wraz z prądem kapilarnym na grzbiety między bruzdami.

Rys. 59. Schemat nawodnień bruzdowych.

a) Zasięg działania i rozstawy bruzd na gruntach silnie przepuszczalnych, b) Zasięg działania i rozstawy bruzd na gruntach słabo przepuszczalnych. Wymiary w cm.

Zasięg bocznego rozchodzenia się wody (rys. 59) decyduje o rozstawie bruzd, która zależy też od gatunku uprawianych roślin i wynosi zazwyczaj od 50 cm na glebach bardzo przepuszczalnych do 90 cm na glebach słabo przepuszczalnych.

Podział systemów bruzdowych oparty jest przede wszystkim na różnicach w rozwiązaniu sieci doprowadzającej i rozdzielczej (tab. 10).

W systemie zasilanym z sieci stałej otwartej bruzdy rozdzielcze mogą być:

• długie, spełniające rolę lokalnych doprowadzalników, z których woda za pomocą lewarów dostaje się do większej ilości krótkich bruzd nawadniających (rys. 60a),

• krótkie, służące do bezpośredniego wpustu wody na kilka (10-15) długich bruzd nawadniających (rys. 60b).

Otwarta sieć nawadniająca składa się z nieumocnionych kanałów ziemnych albo z obudowanyh koryt. W niektórych przypadkach, np. dla nawodnień pozawegetacyjnych może okazać się dogodne coroczne wyorywanie czasowej sieci rozdzielczej zamiast utrzymywania sieci stałej. Doprowadzalniki i bruzdy rozdzielcze czasowe są płytkie, maja profil rozwarty, nie utrudniający przejazdu maszyn rolniczych.

Tabela 10. Podział nawodnień bruzdowych

Systemy	Odmiany	Formy
1. System bruzd zasilanych z otwartej sieci rozdzielczej	1. Sieć rozdzielcza stała, nie umocniona lub umocniona (koryta betonowe) 2. Sieć rozdzielcza czasowa, okresowo wyorywana	1.Bruzdy obsiewane lub nie obsiewane 2. Bruzdy przepływowe bezzrzutowe lub zalewane 3. Bruzdy płytkie lub głębokie
2. System bruzd zasilanych z sieci przewodów rurowych	1. Sieć rurociągów rozdzielczych stałych 2.Sieć rurociągów rozdzielczych ruchomych	1. Formy bruzd jak w poz. 1-3 oraz: a. Rozlew za pomocą bruzd pomocniczych b. Rozlew bezpośredni 2. Rurociągi przenośne 3. Rurociągi przewoźne
3. System bruzd zasilanych za pomocą samobieżnych maszyn polewających	1. Sieć doprowadzalników otwartych 2. Sieć doprowadzalników krytych	Formy bruzd jak w poz. 1-3

W celu usprawnienia rozrządu wody, zmniejszenia pracochłonności nawodnień i ułatwienia prac uprawowych, sieć otwartą zastępowano siecią rurociągów. Woda doprowadzana jest stałymi przewodami podziemnymi, a sieć rozdzielcza składa się najczęściej z rurociągów ruchomych przenośnych (aluminium, tworzywa sztuczne) lub przewoźnych, transportowanych za pomocą specjalnych wozów.

Dalsze tendencje w mechanizacji nawodnień bruzdowych reprezentuje system bruzd zasilanych za pomocą samobieżnych maszyn polewających. Rurociąg rozdzielczy z rękawami brezentowymi, które kierują wodę do poszczególnych bruzd jest podwieszony lub stanowi pas dolny kratownicy o wysięgu 100 m, umieszczonej na ciągniku. Woda pobrana z doprowadzalnika otwartego lub z przewodu krytego tłoczona jest pod niewielkim ciśnieniem (0,5 at) i rękawami spływa do bruzd, a następnie grawitacyjnie dopływa na określona odległość. Po wykonaniu nawodnienia z jednego stanowiska maszyna przejeżdża na drugie, odpowiednio oddalone w zależności od warunków glebowych i dostarczanego dopływu jednostkowego.

Prowadzenie nawodnień bruzdowych wymaga starannego nadzoru i precyzyjnego manewrowania dopływem, aby wykluczyć możliwość rozmycia bruzd i powstawania nieprzewidzianych zrzutów. Ze względu na lepsze wykorzystanie wody, nawodnienia z sieci otwartej należy rozpoczynać od górnych kwater obiektu, natomiast w razie stosowania maszyn polewających kierunek ich ruchu powinien być od kwater najniższych do najwyżej położonych.

Rys. 60. Rozplanowanie systemu bruzdowego zasilanego z otwartej sieci doprowadzającej.

a) Układ odpowiedni na małych spadkach. Bruzdy nie obsiewane głębokie, bezzrzutowe lub zalewane, b) Układ odpowiedni na większych spadkach. Bruzdy obsiewane, płytkie, bezzrzutowe. D - doprowadzalnik główny, d - doprowadzalnik boczny, b.r - bruzdy rozdzielcze, b - bruzdy nawadniające zasilane bezpośrednio z bruzdy rozdzielczej lub za pomocą lewarów, H - głębokość bruzd, h - napełnienie bruzd, Z - zastawki, L - lewary. Wymiary na planach podano w metrach, a na przekrojach w centymetrach.

XIII. Obliczenia nawodnień nasiąkowych

1. Obliczanie nawodnień stokowych

W trakcie realizacji nawodnień stokowych wyróżniamy trzy fazy.

I. Faza dobiegania strugi do końca kwatery.

W tej fazie dopływ q przewyższa straty na wsiąkanie przez zwilżoną powierzchnię, jednak wobec stałego zwiększania się powierzchni pokrywanej wodą wzrasta z biegiem czasu pozycja strat w bilansie wodnym i prędkość posuwania się czoła strugi maleje. W rezultacie po czasie T₁ możliwe jest ustalenie się równowagi między dopływem q a wsiąkaniem na pewnej długości L.

II. Faza podtrzymania nawodnienia.

Jeżeli w czasie dobiegania nie zostanie wprowadzona żądana dawka polewowa, zachodzi konieczność podtrzymania nawodnienia przez odpowiednio dobrany czas T₂. W tej fazie dopływ powinien równoważyć tylko straty na wsiąkanie.

III. Faza zanikania.

Po wprowadzeniu na stok planowanej objętości wody dopływ jej zostaje przerwany (q = 0), a zgromadzona woda, ściekając częściowo wzdłuż kwatery, wsiąka nadal w głąb profilu glebowego przez czas T₃.

Nawodnienia stokowe można prowadzić w pełnym cyklu trójfazowym lub też tylko w fazie I i III, tj. bez podtrzymania polewu. Faza II, podtrzymania, może być realizowana w formie nawadniania bezzrzutowego lub ze zrzutami powierzchniowymi. W fazie III przy prawidłowo dobranych elementach zazwyczaj zrzuty nie występują, lub pojawiają się w bardzo małych ilościach.

Ogólnie biorąc obliczenia do projektu nawadniania stokowego zwilżającego polegają na takim dobraniu elementów:

• dopływu jednostkowego,

• długości kwatery,

• czasu dobiegania,

• czasu podtrzymania,

aby przy określonych wartościach:

• spadku powierzchni,

• szorstkości,

• prędkości wsiąkania,

zapewnić najrównomierniejsze rozprowadzenie dawki polewowej netto przy możliwie najmniejszych zrzutach powierzchniowych i przesiąkach poza warstwę nawadnianą, a więc przy uzyskaniu największego współczynnika wykorzystania wody.

Podobnie jak przy nawodnieniach zalewowych, tak i przy stokowych, dużą rolę odgrywa potencjalna objętość zbiornika podziemnego (położenie zwierciadła wód gruntowych) oraz prędkość wsiąkania, która może być mniej lub więcej zmienna w czasie. Warunki te w zasadniczy sposób kształtują hydrauliczny schemat ruchu wody po stoku i w glebie, obierany jako miarodajny model do obliczeń. Należy podkreślić, że nawodnienia stokowe stosowane są zazwyczaj w warunkach głębokiego zalegania zwierciadła wody gruntowej, dlatego tylko ten przypadek przeanalizowano.

Faza dobiegania

Załóżmy, że przy stałej prędkości wsiąkania ω długość kwatery wynosi L, a pomiędzy tymi parametrami, a dopływem q zachodzi zależność q = ωL. Przy założonym kształcie zwierciadła wody na stoku dopływ q, napełnienie h u wlotu na kwaterę i spadek stoku związane są zależnością:

Czas dobiegania T do końca kwatery obliczamy ze wzoru:

,

gdzie h jest głębokością strugi wody u wlotu na kwaterę.

Czas dobiegania obliczony tym wzorem odpowiada ściśle długości stoku l = 0,95 L i może być stosowany, jeśli nie jest wymagana wysoka dokładność w ustalaniu elementów nawodnienia dla niewielkiego końcowego odcinka stoku.

Faza podtrzymania polewu i równomierność uwilgotnienia kwatery

Oznaczmy skończony czas dobiegania do kwatery, a ściśle biorąc czas dojścia czoła strugi na odległość l = 0,95 L przez T₁. Po upływie tego czasu, czyli po zakończeniu fazy pierwszej, na początku kwatery wsiąknie ilość wody ωT₁, a na końcu - 0. Przy takim układzie stok będzie bardzo nierównomiernie uwilgotniony, zachodzi więc konieczność podtrzymania polewu jeszcze przez czas T₂, aby nie tylko wprowadzić na kwaterę żądaną dawkę, ale w dostatecznym stopniu zwilżyć koniec kwatery.

Niech projektowana dawka polewowa netto równa się d, a objętości wody wsiąkającej, łącznie podczas fazy pierwszej i drugiej, na początku i w końcu kwatery wynoszą odpowiednio d_p i d_k, przy czym z definicji wynika, że:

Przy stałym dopływie q na jednostkę szerokości kwatery objętość wody doprowadzonej w ciągu nawadniania (faza I i II) ma dostarczyć projektowaną dawkę d na długości L, a więc przy założeniu nawodnienia bezzrzutowego (współczynnik wykorzystania wody równy 1) powinno być spełnione następujące równanie bilansowe:

Ponieważ między dopływem a długością stoku zakładamy związek

,

stąd

a więc objętość wody wsiąkającej na początku kwatery równa jest dawce netto:

Równomierność zwilżenia wyrazimy przez stosunek d_k do d_p wprowadzając odpowiedni wskaźnik z, który wyraża się w postaci:

Wskaźnik równomierności będzie zawsze mniejszy od jedności, a obliczenia i doświadczenia wskazują, że dostatecznie równomierne zwilżenie kwatery uzyskuje się już przy z = 0,5. Wartość założonego wskaźnika z pozwala określić niezbędny stosunek czasów podtrzymania i dobiegania, mianowicie:

przy z = 1/2 T₂ = T₁

z = 2/3 T₂ = 2T₁

z = 3/4 T₂ = 3T₁

Zakładając określoną wartość wskaźnika z obliczamy niezbędny czas podtrzymania ze wzoru:

,

a czas dobiegania ze związku:

,

skąd:

Ponieważ przeważnie z dostateczną dla praktyki dokładnością można przyjąć czas dobiegania

(ściśle przy l = 0,95 L), stąd:

.

Z powyższego wzoru można wyliczyć niezbędne napełnienie u wlotu na kwaterę w zależności od dawki i planowanej równomierności nawodnienia:

oraz dopływ jednostkowy na 1 m szerokości kwatery:

Uwzględniając powszechnie przyjmowane w nawodnieniach jednostki miar dla następujących parametrów:

• dopływ q [dm³⋅s^-1⋅m^-1],

• długość kwatery L [m],

• prędkość wsiąkania ω [mm⋅min^-1],

• dawka d [mm],

• czasy dobiegania i podtrzymania T₁, T₂ [min],

• napełnienie u wlotu h [mm],

• współczynnik prędkości c [s^-1],

oraz wielkości bezwymiarowe: współczynnik z, spadek J otrzymujemy następujący zestaw wzorów roboczych, pozwalających na zaprojektowanie nawodnienia stokowego przy różnych założeniach i warunkach.

Czas podtrzymania

Czas dobiegania

Napełnienie u wlotu

Dopływ jednostkowy

Teoretyczna długość kwatery

Droga dobiegania w czasie T1

Dawka na początku kwatery

Dawka na końcu kwatery

Po dobraniu elementów nawadniania należy jeszcze sprawdzić prędkość wlotową na kwaterę, czy nie przekracza ona dopuszczalnej prędkości rozmywającej. Należy ją więc obliczyć z następującego wzoru:

W celu uzyskania większej równomierności uwilgotnienia stoku korzystne jest skracanie czasu T₁ i wydłużanie czasu T₂. Można to realizować w dwojaki sposób:

• przy założonym dopływie q dobrać czasy według podanych poprzednio wzorów,

• zróżnicować dopływy, przyjmując w fazie dobiegania dopływ większy q₁ > ω⋅L, a w fazie podtrzymania dopływ mniejszy, wynikający z warunku q₂ = ω⋅ L.

Faza zanikania i współczynnik wykorzystania wody

Po zamknięciu dopływu trwa na stoku dalsze wsiąkanie wody, uprzednio nagromadzonej w fazie dobiegania i podtrzymania. Ilość wody wsiąkającej w fazie zanikania nie będzie jednak w każdym punkcie kwatery dokładnie równa tej grubości warstwy wody, jaka pokrywała powierzchnię w momencie przerwania dopływu. Wskutek ściekania części strugi po stoku, środek i koniec kwatery może otrzymać więcej, a początek mniej wody w tej fazie.

W momencie zamknięcia dopływu średnia grubość warstwy wody na stoku równa się 0,67 h. Przyjmując w przybliżeniu, że właśnie warstwa ta wsiąknie równomiernie. Jak widać, w fazie trzeciej powiększa się równomierność uwilgotnienia, a obliczenia wykazały, że niezależnie od przyjętego wskaźnika z prawie 2/3 długości kwatery będzie w ostatecznym rezultacie zwilżone dawką nieco większą niż projektowana dawka netto d. Jedynie końcowy odcinek otrzyma nieco mniej wody.

Współczynnik wykorzystania wody na kwaterze równa się stosunkowi objętości projektowanej dawki polewowej netto do objętości wody doprowadzonej w czasie nawadniania, a więc w przypadku nawadniania stokowego dwufazowego:

2. Obliczanie nawodnień bruzdowych

Zagadnienie przepływu i wsiąkania wody w bruździe nawadniającej jest w porównaniu do nawodnień stokowych bardziej skomplikowane, jakkolwiek pod względem hydrodynamicznym oba systemy, należące do typu nawodnień nasiąkowych, mogą być opisane identycznym zestawem równań różniczkowych.

Wzory teoretyczne do obliczania nawodnień bruzdowych, pomimo zastosowanych uproszczeń, są bardziej złożone i mniej operatywne niż wzory do obliczania nawodnień stokowych.

Wobec trudności związanych z praktycznym stosowaniem wzorów teoretycznych powstał cały szereg wzorów empirycznych, w których funkcja dobiegania jest najczęściej przyjmowana w postaci:

gdzie: q jest dopływem sekundowym na jedną bruzdę, a współczynniki liczbowe a, m, n dla konkretnych warunków glebowych, spadków terenu i kształtów bruzdy muszą być ustalane doświadczalnie. Uwzględniając jeszcze równanie bilansowe fazy dobiegania:

,

zestawione dla rozstawy bruzd b przy założeniu, że cała dawka polewowa ma być wprowadzona tylko w fazie pierwszej, można na podstawie znanej już funkcji dobiegania wyznaczyć potrzebne elementy nawodnienia.

Zastosowanie przytoczonych dwóch równań nie gwarantuje jednak uzyskania nawadniania o określonej równomierności uwilgotnienia. Jeśliby więc należało ten postulat uwzględnić, to trzeba by wprowadzić warunek dodatkowy. Według doświadczeń polowych dostateczna równomierność uwilgotnienia wzdłuż bruzdy jest wtedy zapewniona, gdy na początku kwatery wsiąknie w czasie trwania nawadniania t przewidywana dawka d, czyli gdy przy zmiennej prędkości wsiąkania spełniony jest warunek:

Zestaw tych trzech równań pozwala już na ściślejsze dobranie elementów nawadniania bruzdowego.

Funkcja wsiąkania (współczynniki ω_0-1 i α) powinna być ustalana doświadczalnie, w warunkach ściśle odpowiadających rzeczywistemu schematowi rozchodzenia się wody z bruzdy w głąb profilu, a więc przy zastosowaniu właściwego kształtu i wymiarów bruzdy użytej do polowych pomiarów prędkości wsiąkania.

Wąski zakres stosowania poszczególnych wzorów empirycznych (ograniczony do warunków, w których były ustalane) powoduje, że elementy nawadniania bruzdowego są też dobierane na podstawie bezpośrednich wyników doświadczeń i obserwacji polowych, zestawionych w postaci lokalnych lub regionalnych norm i zaleceń.

Niezależnie od tego, czy nawodnienia bruzdowe zostałyby zaprojektowane w oparciu o wzory teoretyczne lub empiryczne, czy też byłyby przyjęte według norm doświadczalnych, należy w każdym przypadku sprawdzić je i uściślić za pomocą metody próbnego polewu. Sprawa ta jest o tyle ułatwiona, że niezbędne dopływy na bruzdę są na ogół bardzo małe i wykonanie próby polewowej nie przedstawia żadnych technicznych komplikacji, nawet w toku studiów terenowych do projektu.

Nawodnienia bruzdowe są dość elastyczne w eksploatacji; manewrowanie wielkością dopływu na bruzdę jest proste, polega na skierowaniu danej strugi z bruzdy rozdzielczej lub rurociągu na mniejszą lub większą ilość jednocześnie pracujących bruzd. Z tego względu po kilku próbach możliwe jest osiągnięcie dużej równomierności zwilżania i wysokiego współczynnika wykorzystania wody.

XIV. Wybór systemu nawodnień i budowle na sieci rozdzielczej i szczegółowej

1. Ocena jakości wody do nawodnień

Ważną rolę w nawodnieniach zwilżających odgrywa jakość wody, która ze względu na zanieczyszczenia pochodzące ze zrzutów przemysłowych, komunalnych i rolniczych bardzo często nie spełnia wymogów stawianych wodzie potrzebnej do nawadniania. Zwilżająco-nawożąca wartość wody zależy od jej temperatury, zawartości tlenu i rozpuszczonych soli mineralnych oraz ilości i rodzaju zawiesin. Obecność związków szkodliwych, bakterii chorobotwórczych, jaj pasożytów, itd. ogranicza lub wręcz uniemożliwia wykorzystanie wody do nawadniania.

Wstępną orientacyjną ocenę wody można uzyskać na podstawie jej pochodzenia i wyników ekspertyzy terenowej w zlewni. Wyróżniamy następujące charakterystyki wody, według wzrastającej jej wartości rolniczej:

1. Do ubogich należy zaliczyć wody z lasów i torfowisk, zawierające garbniki, kwasy humusowe i związki żelaza. Ze względu na małą żyzność wody te nie nadają się do nawodnień zalewowych, lecz raczej do zwilżających nawodnień podsiąkowych.

2. Wody źródlane mają zazwyczaj niską temperaturą w okresie letnim, zawierają mało tlenu, nie są żyzne, aczkolwiek niekiedy występuje w nich sporo wapnia.

3. Wody wgłębne, pobierane z płytkich lub głębokich pokładów wodonośnych, stanowią w wielu krajach (USA, Indie) poważne źródło wody do nawodnień. W naszym kraju zasoby tych wód przeznaczone są głównie do zaopatrzenia ludności i przemysłu.

4. Wody ze zbiorników naturalnych (stawy, jeziora) i sztucznych mają mało tlenu i zawiesin, lecz nieco większą koncentrację soli niż w wodzie dopływającej; nadają się do nawodnień zwilżających.

5. Wody rzeczne, zasilane z opadów atmosferycznych, pochodzą częściowo ze spływów powierzchniowych, a częściowo z odpływu gruntowego, w obu wypadkach wzbogacane są, choć w różnym stopniu, w składniki mineralne i organiczne. Ponadto do rzek spływają bezpośrednio lub pośrednio ścieki komunalne, przemysłowe i z rolniczych zanieczyszczeń obszarowych. Dlatego wody rzeczne przed wykorzystaniem do nawadniania użytków rolnych muszą być dokładnie badane.

6. Wody ściekowe komunalne, bytowe i niektóre przemysłowe przy zachowaniu odpowiedniej ostrożności mogą być użyte do nawodnień użyźniających.

Podczas ekspertyzy terenowej informacji o żyzności i jakości wód dostarczyć może fauna i flora cieku oraz roślinność przykorytowej części doliny. W wodach czystych są ryby, żaby, raki, a o stopniu żyzności świadczą następujące gatunki roślin:

• wody żyzne: glony, rzęsa drobna, rdestnica, rukiew wodna, knieć błotna, manna mielec, wyczyniec łąkowy,

• wody średniej żyzności: tatarak zwyczajny, jaskier jadowity, mięta nadwodna,

• wody ubogie: pałka, trzcina pospolita, sit, oczeret jeziorny, turzyca.

2. Wybór systemu nawodnień

Na tle technicznej charakterystyki systemów podane będą ogólne kryteria wyboru systemu optymalnego dla określonych warunków przyrodniczych i gospodarczych. Z góry można powiedzieć, że nie istnieje system absolutnie idealny, uniwersalny; każdy posiada swe zalety i wady, które muszą być starannie przeanalizowane, a celowość przyrodnicza i możliwości techniczne stosowania wybranego systemu nawodnień powinny być ostatecznie potwierdzone rachunkiem ekonomicznym.

Przy wyborze systemu trzeba uwzględniać:

• podstawowy cel nawodnień i ewentualne cele uboczne,

• przyrodnicze warunki obiektu, a mianowicie: ilość i jakość wody będącej do dyspozycji, oddalenie od źródła wody, sytuację wysokościową obiektu, gleby i ich właściwości wodne, czynniki klimatyczne i inne decydujące o zapotrzebowaniu wody,

• aktualny stan organizacyjno-ekonomiczny gospodarstwa, przewidywany kierunek i stopień intensyfikacji produkcji rolnej.

W tabeli 11 zestawiono możliwości stosowania poszczególnych systemów w różnych warunkach produkcyjnych. Te porównawcze dane o charakterze orientacyjnym nie zastąpią oczywiście analizy szczegółowej, lecz ułatwiają wstępne ustalenie koncepcji nawodnień i eliminację wariantów wyraźnie nieodpowiednich. Przy wyborze systemu nawodnień bardzo poważną, jeśli nie decydującą, rolę ma rodzaj użytków i gatunki roślin uprawnych. Biorąc pod uwagę zmianowanie roślin stwarza to spore trudności w znalezieniu uniwersalnego rozwiązania zdolnego do zaspokajania zróżnicowanych potrzeb.

Przy podejmowaniu decyzji o celowości przyrodniczej i możliwościach technicznych stosowania różnych systemów nawodnień, należy uwzględnić warunki terenowe i rodzaj użytkowania.

Tabela. 11.1 Celowość przyrodnicza i możliwości techniczne stosowania nawodnień

Nawadnianie	Ukształtowanie powierzchni	Przepuszczalność gleb	Podatność na erozję	Położenie wód gruntowych
Zalewowe	Teren równy, płaski	Średnia lub mała	Mała	Niezbyt głębokie
Stokowe	Jednokierunkowe spadki	Średnia lub mała	Mała	Głębokie
Bruzdowe	Małe spadki jednokierunkowe	Średnia lub mała	Mała	Głębokie
Deszczowniane	Z wyjątkiem bardzo stromych zboczy nie ma ograniczeń	Bez ograniczeń	Z wyjątkiem bardzo podatnych na erozję nie ma ograniczeń	Głębokie
Przesiąkowe	Z wyjątkiem bardzo urozmaiconej rzeźby terenu, nie ma ograniczeń	Z wyjątkiem gleb przepuszczalnych nie ma ograniczeń	Bez ograniczeń	Głębokie
Podsiąkowe	Teren równy, płaski	Duża lub średnia	Bez ograniczeń	Płytkie

Tabela. 11.2. Celowość przyrodnicza i możliwości techniczne stosowania nawodnień

Nawadnianie	Łąki	Pastwiska	Mieszanki traw
Zalewowe	Odpowiednie, jako nawodnienia nawożące; kosztowne	Niewskazane ze względu na trudności eksploatacyjne	Nieodpowiednie z wyjątkiem wykorzystania ścieków; kosztowne
Stokowe	Odpowiednie, zwłaszcza jako nawodnienia użyźniające; kosztowne	Niewskazane ze względu na trudności eksploatacyjne	Odpowiednie
Bruzdowe	Nieodpowiednie	Nieodpowiednie	Nieodpowiednie
Deszczowniane	Odpowiednie, mało opłacalne	Odpowiednie, mogą być opłacalne	Odpowiednie, mało opłacalne
Przesiąkowe	Teoretycznie odpowiednie ale nie wypróbowane w praktyce. Urządzenia precyzyjne, wymagające bardzo starannej eksploatacji; kosztowne	Teoretycznie odpowiednie ale nie wypróbowane w praktyce. Urządzenia precyzyjne, wymagające bardzo starannej eksploatacji; kosztowne	Teoretycznie odpowiednie ale nie wypróbowane w praktyce. Urządzenia precyzyjne, wymagające bardzo starannej eksploatacji; kosztowne
Podsiąkowe	Odpowiednie, powszechnie stosowane, zwłaszcza na torfach. Niezbędne przy odwadnianiu użytków zielonych	Odpowiednie po dobraniu parametrów zapewniających elastyczność gospodarowania wodą	Odpowiednie

Tabela. 11.3. Celowość przyrodnicza i możliwości techniczne stosowania nawodnień

Nawadnianie	Uprawy polowe	Warzywa	Sady
Zalewowe	Jako pozawegetacyjne nawodnienia użyźniające przy wykorzystaniu ścieków; kosztowne	Nieodpowiednie	Niektóre formy mogą się nadawać
Stokowe	Jako nawodnienia wegetacyjne, dla niektórych roślin; są trudności eksploatacyjne; kosztowne	Nieodpowiednie z wyjątkiem nawodnień pozawegetacyjnych, użyźniających	Niektóre formy mogą się nadawać
Bruzdowe	Stosowane w wielu krajach jako nawodnienia zwilżające wegetacyjne i pozawegetacyjne. U nas ograniczone do wykorzystania ścieków	Odpowiednie	Odpowiednie
Deszczowniane	Odpowiednie, opłacalne tylko dla niektórych roślin (przemysłowe, okopowe)	Odpowiednie, opłacalne	Odpowiednie, ale brak ściślejszych danych co do opłacalności
Przesiąkowe	Teoretycznie odpowiednie ale nie wypróbowane w praktyce. Urządzenia precyzyjne, wymagające bardzo starannej eksploatacji; kosztowne	Odpowiednie, opłacalność nie wyjaśniona	Nieodpowiednie obawy zarastania przewodów
Podsiąkowe	Odpowiednie po dobraniu parametrów zapewniających elastyczność gospodarowania wodą	Odpowiednie z ograniczeniami dla niektórych gatunków	Niewskazane

3. Budowle na sieci rozdzielczej i szczegółowej

Do sprawnego prowadzenia rozrządu wody w otwartej sieci rozdzielczej i szczegółowej potrzeba na ogół dużej ilości budowli regulujących oraz urządzeń pomocniczych. Są to oczywiście obiekty małe, ale ze względu na ich liczebność i ważą rolę muszą odpowiadać wysokim wymaganiom funkcjonalnym i konstrukcyjnym. Przy doborze typu i wymiarów należy uwzględnić następujące postulaty:

• dostateczną przepustowość przy małych stratach spadku,

• możliwość regulacji i utrzymywania określonej wydajności,

• możliwość pomiaru objętości przepływu,

• zdolność do przepuszczania namułów,

• prostotę konstrukcji i łatwość obsługi w toku eksploatacji.

Małe urządzenia piętrzące i wpustowe stosowane są w postaci:

• urządzeń (budowli) stałych,

• urządzeń przenośnych.

W obrębie tych dwóch rodzajów istnieje cały szereg rozwiązań konstrukcyjnych, obszernie opisanych w literaturze specjalnej.

Budowle stałe piętrzące, wpustowe lub spustowe (zastawki lub przepusty) wykonywane są najczęściej z elementów prefabrykowanych. Obok tradycyjnego betonu lub żelbetu pojawiają się (np. w USA) urządzenia całkowicie złożone z elementów stalowych o powierzchni pokrytej specjalnymi powłokami antykorozyjnymi.

Urządzenia przenośne stanowią zastawki stalowe z ewentualnymi zasuwami, zastawki brezentowe lub z folii oraz lewary, których działanie można zautomatyzować i wyeliminować przynajmniej częściowo, obsługę ręczną.

XV. Perspektywy rozwoju nawodnień

1. Stan i perspektywy rozwoju nawodnień na świecie

Zgodnie z raportem o Gospodarce Wodnej na Świecie, zaprezentowanym w przeddzień Światowego Forum Wody (Kioto, Japonia, 16-23 marca 2003 r.), w latach 1970-1990 przeciętna ilość wody przypadająca na jednego mieszkańca globu zmniejszyła się o jedną trzecią. Mimo, że ilość urodzin maleje, to przewiduje się, że do 2050 r. liczba osób na świecie osiągnie 9,3 miliarda (przy 6.1miliarda w 2001 r.). W związku z tym w ciągu kolejnych 20 lat, ilość wody zmniejszy się również o jedną trzecią, w stosunku do obecnego stanu. Według najbardziej pesymistycznych prognoz, do roku 2050, siedem miliardów ludzi w 60 krajach będzie cierpieć z powodu niedoboru wody. Według optymistycznych prognoz, będą to dwa miliardy w 48 krajach. Wynik będzie uzależniony od wzrostu populacji i warunków politycznych.

Raport informuje, że z głodu umiera codziennie około 25 tysięcy ludzi, a 815 milionów cierpi z niedożywienia: 777 milionów w krajach rozwijających się, 27 milionów w krajach w okresie transformacji i 11 milionów w krajach uprzemysłowionych.

Obecnie wykorzystuje się rolniczo tylko połowę potencjalnej powierzchni na terenie kuli ziemskiej, przy czym są to obszary mające stosunkowo lepsze warunki ekologiczne niż pozostałe części rezerwy światowej, której przyszłe użytkowanie uzależnione będzie od wykonania odpowiednich melioracji.

Wśród użytków rolnych największy obszar zajmują łąki i pastwiska, pokrywają one około 26% powierzchni lądowej świata. Użytki zielone różnią się pod względem wydajności i sposobu użytkowania. Wysoką wydajność mają one przede wszystkim w Europie Zachodniej, gdzie są intensywnie uprawiane i racjonalnie użytkowane. Natomiast na innych kontynentach duża ich część położona jest na terenach nadmiernie suchych. Drugie miejsce wśród użytków rolnych zajmują grunty orne, stanowią one 10,3% lądowej powierzchni Ziemi i 27,7% użytków rolnych [Górz B. 1997].

Ponieważ 55% powierzchni lądów leży w rejonach suchych lub posusznych, o niedostatecznej ilości opadów, a w rejonach dość wilgotnych również zdarzają się sezonowe niedobory wodne, dlatego przeciętne plony rolnictwa światowego nie osiągają poziomu odpowiadającego maksymalnej biologicznej produkcyjności gleby.

Jednym z wyjątkowo skutecznych czynników, obok agrotechniki i nawożenia, w podnoszeniu wydajności rolnictwa w skali światowej są nawodnienia. W strefach suchych i posuszonych można szacować produkcyjność 1 ha nawadnianego jako równą produkcyjności 4−5 ha nie nawadnianych. W strefach stosunkowo wilgotnych, ale o chwiejnej równowadze bilansu wodnego, wskaźnik ten jest niższy; kształtuje się on jednak na poziomie 1.2−1.5, a nawet dochodzi do 2.

Możliwości zwiększania areału rolniczego i produkcji żywności z jednostki powierzchni są więc dość znaczne; według opinii specjalistów przy obecnym stanie wiedzy i techniki na 1 osobę powinno wystarczyć 0.15−0.20 ha użytków rolnych.

Nawodnienia są znane i stosowane w rolnictwie światowym od wielu tysięcy lat. Już na długo przed naszą erą na terenie Afryki Pn. (Maroko) oraz Iranu, a także na innych obszarach Azji realizowano nawadnianie poprzez kanały (przeważnie podziemne) niekiedy bardzo długie, którymi z rejonu gór sprowadzano wodę na tereny suche. Jeszcze starsze były systemy nawadniania basenowego w dolinie Nilu, które przetrwały aż do dziś, a także systemy nawadniające w Mezopotamii, Azji Środkowej i w dolinie Indusu oraz we wschodnich Chinach. Na obszarze obu Ameryk systemy nawadniające w uprawie roli stosowali Indianie na długo przed przybyciem Europejczyków. Najbardziej znanym przykładem są akwedukty na Wyżynie Meksykańskiej, którymi doprowadzano wodę z odległych terenów górskich.

Dzięki współczesnej technice melioracje nawadniające mogą być realizowane na wielką skalę i tym samym będą odgrywać na świecie coraz większą rolę w rozwiązywaniu problemu wyżywienia.

Obecne tendencje w nawodnieniach światowych można scharakteryzować następująco:

• rozwój nawodnień nie tylko w strefach suchych, ale i na obszarach półsuchych, na których bez nawadniania uprawa roślin jest niemożliwa lub zawodna,

• stosowanie nawodnień na obszarach o sezonowym niedostatku wody (w krajach monsunowych brak opadów w zimie, a w krajach śródziemnomorskich w lecie), na których dzięki nawadnianiu można uprawiać rośliny także w okresie suchym,

• podejmowanie dużych inwestycji podstawowych przez państwo,

• przechodzenie (w krajach rozwiniętych) na systemy elastyczne o dużych współczynnikach wykorzystania wody, tj. deszczownie i nawodnienia kropelkowe,

• docenianie konieczności kompleksowego urządzania i zagospodarowania obiektów nawadnianych, wychodzenie poza zagadnienia czysto hydrotechniczne, szerokie uwzględnianie zagadnień eksploatacyjnych i agrotechnicznych,

• uwypuklanie aspektów przyrodniczo-ekologicznych, zdawanie sobie sprawy, że celem nawodnień nie powinna być tylko bezpośrednia walka z suszą, ale szeroko pojęta melioracja gleb i siedlisk.

Dla potrzeb nawadniania wybudowano na świecie wiele zbiorników retencyjnych, które gromadzą wodę z wezbrań deszczowych i roztopowych. Inwestycje te realizowano już w XIX wieku, gdy zaczęto wprowadzać nawodnienia trwałe, oparte na gromadzonych zapasach wody. Jednym z najważniejszych skutków upowszechniania nawodnień było znaczne rozszerzenie powierzchni upraw, a także lepsze wykorzystanie ziemi poprzez uzyskiwanie dwóch lub nawet trzech zbiorów plonu w ciągu roku. W 1994 r. nawadniano na świecie prawie 250 mln ha gruntów, co stanowi około 17% całej powierzchni przeznaczonej pod uprawy. Było to o 110 mln ha (80%) więcej niż w 1961 r. Największy przyrost powierzchni nawadnianej (o około 4,1 mln ha rocznie) nastąpiło w okresie 1970-1980, natomiast po roku 1990 przyrost ten wynosił około 2,1 mln ha rocznie. O tempie rozwoju nawodnień w skali całego globu decydują inwestycje przeprowadzane w Azji. Znajduje się tam prawie 64% całego obszaru nawadnianych gruntów świata (159 mln ha), z czego większość przypada na Chiny, Indie i Pakistan. Duży obszar nawadnianych gruntów znajduje się w Ameryce Pn. * 22,1 mln ha, tj. 8,8% * a zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, w których jednak od 1980 r. powierzchnia nawadniana nie powiększyła się. Także w Europie (m.in. w Rosji, Hiszpani, Rumunii, we Włoszech i na Ukrainie ), która posiada 16,5 mln ha gruntów nawadnianych, już od kilku lat nie notuje się większych zmian w ich powierzchni.

2. Pogląd na kierunki melioracji nawadniających w Polsce

Polska należy do krajów o wyraźnym deficycie wodnym. Ten deficyt można uzupełnić jedynie poprzez powszechne gromadzenie zapasów wody w obrębie systemów melioracyjnych. Aktualnie łączna pojemność większych zbiorników wodnych wynosi ponad 2,5 mld m³, co stanowi około 5% średniej rocznej objętości wody odpływającej z powierzchni kraju. Przy pełnej realizacji programu rozwoju gospodarki wodnej Polski, pojemność zbiorników mogłaby wynosić około 13 mld m³, co odpowiada około 22% średniorocznego odpływu.

Melioracje są trwałym środkiem skokowo podnoszącym potencjał produkcyjny rolnictwa. Generalnie spełniają one stawiane przed nimi zadania. Jedynie tam gdzie popełniano błędy w organizacji produkcji inwestycje melioracyjne były mało efektywne. Bezpośrednie efekty melioracji na gruntach ornych dochodzą do około 10 jednostek zbożowych na 1 hektar, a na użytkach zielonych osiągają do 36 q⋅ha^-1 siana łąkowego i na pastwiskach do 162 q⋅ha^-1 zielonej masy.

Dotychczas zmeliorowano w Polsce 6690 tys. ha użytków rolnych, w tym 4725 tys. ha gruntów ornych i 1965 tys. ha użytków zielonych. Zaspokaja to potrzeby melioracji w skali kraju w 70,8%. Na początku lat dziewięćdziesiątych prace melioracyjne zostały gwałtownie ograniczone (około 10 krotnie w stosunku do wykonywanych w 1988 r. i około 20 krotnie w porównaniu do 1964 i 1970 r.). Z chwilą ponownego ożywienia gospodarki rolnej nastąpi także wzrost inwestycji melioracyjnych.

Aktualne badania i analizy wskazują na potrzebę zmian w rodzaju wykonywanych melioracji. Występuje bowiem duże zapotrzebowanie na nawodnienia i tworzenie systemów małej retencji wodnej. Rośnie zainteresowanie rolnictwa melioracjami kompleksowymi, które są niezbędne dla intensyfikacji i restrukturyzacji rolnictwa, jak też dla wielofunkcyjnego rozwoju obszarów wiejskich.

Systemy wodno-melioracyjne mają charakter infrastruktury podstawowej. Spełniają wiele funkcji dla znacznej liczby użytkowników wody z różnych działów i gałęzi gospodarki narodowej, zarówno w sektorze rolniczym, jak i pozarolniczym. Dlatego uporządkowania wymaga sposób i zakres ich finansowania, zwłaszcza przez użytkowników z pozarolniczych działów gospodarki. Stosowane obecnie analizy ekonomiczne nie uwzględniają efektów ekologicznych oraz ogólno-użytkowych wynikających z melioracji, do których należy tworzenie, rozwój i ochrona takich zasobów naturalnych, jak: woda, przestrzeń, gleba. Z tego wynika, że na przedsięwzięcia melioracyjne powinny być przewidziane znaczne środki finansowe.

Ocena potrzeb melioracji użytków rolnych dokonywana jest z uwzględnieniem najnowszej wiedzy o melioracjach, kierunkach i tempie rozwoju rolnictwa. Według szacunku z 1988 r. wynika, że do zmeliorowania pozostało około 2770 tys. ha użytków rolnych. Obecnie na prace odtworzeniowo-modernizacyjne oczekują urządzenia na obszarze 1226 tys. ha. Uwzględniając dalszą 1% dekapitalizację urządzeń ocenia się, że w roku 2015 trzeba będzie odtworzyć i zmodernizować urządzenia na blisko 2700 tys. ha użytków rolnych. Łącznie na budowę i modernizację urządzeń melioracji wodnych oczekuje nieco ponad 5,4 mln ha. Takim samym zabiegom powinno się poddać 16725 km rzek i kanałów, 3115 km wałów przeciwpowodziowych, 197 stacji pomp oraz zbiorniki wodne o pojemności 1400 mln m³.

Dotychczas nawodnieniami objęte jest około 7% ogółu zmeliorowanych użytków zielonych. Przewiduje się, że wskaźnik ten powinien osiągnąć ponad 25%. Ocena możliwości nawodnień wskazuje, że zasoby wód dyspozycyjnych są wystarczające lub możliwe do pozyskania. Do rozwiązania pozostaje natomiast zlokalizowanie ich w pożądanym miejscu w odpowiednich wielkościach [Rytelewski M. 1996].

Analiza stosunków wilgotnościowych wskazuje, że w warunkach klimatycznych i glebowych naszego kraju, cele i rola nawodnień na obszarze zlewni powinny być zróżnicowane. W partiach wododziałowych o dominującym udziale gruntów ornych, na glebach mineralnych lżejszych o małych użytecznych rezerwach wodnych, cel nawodnień powinien być ograniczony do uzupełnienia lokalnych i okresowych niedoborów wilgoci w czynnej warstwie gleby, aby nie dopuścić do występowania susz glebowych i wzmóc skuteczność zwiększonego nawożenia mineralnego. Będą to więc typowe nawodnienia zwilżające.

Nieco inaczej przedstawia się sprawa nawodnień w partiach dolinowych, nizinnych, gdzie na dużych powierzchniach występują gleby organogeniczne, a przeważają trwałe użytki zielone. Na tych obszarach cele nawodnień są bardziej złożone i wielostronne, gdyż obejmują:

• bezpośrednie uzupełnienie niedoborów wilgoci w czynnej warstwie gleby; występuje tu rola zwilżająca wody jako czynnika produkcji,

• utrzymanie zasobów poprzez regulację poziomu wód gruntowych w zlewni i stanu uwilgotnienia profilu glebowego; uwydatnia się tu magazynująca rola nawodnień,

• melioracyjne oddziaływanie na procesy glebowe i właściwości fizyczne profilu.

3. Zarys rozwoju i perspektyw nawodnień w Polsce

Nawodnienia nie mają w gospodarce wodnej Polski tak dawnej tradycji jak budowa stawów rybnych, obwałowania czy odwodnienia, których początki datować można na wiek XII-XIII. Stan ten uzasadniony był ogólnym wysokim uwilgotnieniem naszego krajobrazu, co w miarę rozszerzania powierzchni uprawnej zmuszało rolnictwo w pierwszym rzędzie do odprowadzania okresowych nadmiarów wody.

Tym niemniej już w połowie XVIII wieku rola nawodnień była u nas znana i należycie doceniana przez ówczesną naukę rolniczą. W początkach XX wieku zaznacza się pewne zahamowanie w budowie nowych urządzeń nawadniających. Na użytkach zielonych przeważają jednostronne zabiegi osuszające i dopiero około roku 1935 ustala się wśród meliorantów pogląd o bezwzględnej konieczności regulowania poziomu wód gruntowych w odwadnianych torfowiskach i wysuwane są koncepcje melioracji osuszająco-nawadniających. Od roku 1950, a więc od zakończenia okresu odbudowy zniszczeń wojennych, melioracje użytków zielonych obejmują w zasadzie obok odwodnienia również nawodnienie, realizowane przynajmniej w postaci najprostszego systemu podsiąkowego, opartego na wodach własnych, piętrzonych jazami i zastawkami.

Trwałe użytki zielone zajmują w Polsce powierzchnię 4,1 mln ha [Rocznik statystyczny 1985], co stanowi około 21% łącznej powierzchni użytków rolnych. Występują one w dolinach rzek (łęgi), na pobrzeżach dolin i w obniżeniach wśród pól i lasów (grądy), na obszarach pobagiennych (łąki pobagienne) oraz na zboczach pogórzy i wierzchowinach górskich. W Polsce warunki naturalne są stosunkowo sprzyjające rozwojowi roślinności trawiastej. Jednakże wysoka i ustabilizowana produkcja siana i zielonej paszy jest możliwa jedynie w siedliskach o uregulowanych stosunkach wodnych. Położenie łąk i pastwisk głównie w najniższych miejscach zlewni i w obniżeniach terenowych powoduje, że są one narażone na trwałe lub okresowe nadmierne uwilgotnienie. Jednocześnie zmienność klimatu w naszym kraju sprawia, że w warunkach naturalnych na użytkach zielonych mogą występować okresowe niedobory wody. Szacuje się, że inwestycje melioracyjne są niezbędne na powierzchni około 2,9 mln ha użytków zielonych. Zaspokojenie potrzeb w zakresie melioracji użytków zielonych wynosi okolo 65% i nie zmienia się od kilku lat, pomimo corocznego zwiększania się powierzchni nowo zmeliorowanej. Przyczyną tego stanu jest dekapitalizacja starych urządzeń melioracyjnych, przy jednoczesnym zmniejszeniu zakresu prac melioracyjnych. Prawie połowa urządzeń ma ponad 40 lat, czyli osiągnęła już przeciętny okres trwałości technicznej.

Ze względu na położenie użytków zielonych i dyspozycyjne ilości wód do nawodnień, realizuje się na tych użytkach głównie nawodnienia systemem podsiąkowym. Na gruntach ornych i użytkach zielonych pozadolinowych stosowane będą głównie nawodnienia deszczowniane.

Potrzeby nawodnień na terenie Polski nie są równomiernie rozłożone. Największe potrzeby nawodnień trwałych użytków zielonych położonych w dolinach rzek występują w makroregionie północnym (woj. zachodnio-pomorskie i pomorskie,) i środkowo-wschodnim (woj. lubelskie). Wynoszą one tutaj ok. 50% ogólnego obszaru tych użytków. W makroregionach północno-wschodnim (woj. warmińsko-mazurskie i podlaskie), środkowozachodnim (woj. wielkopolskie i kujawsko-pomorskie) oraz w środkowym (woj. mazowieckie i łódzkie) potrzeby nawodnień szacowane są na 40% powierzchni użytków zielonych. W pozostałych makroregionach potrzeby nawodnień na użytkach zielonych szacowane są na 10-23% ogólnego obszaru tych użytków.

110

109

b

a

---