устройство для аккумуляции атмосферных осадков и накопления пресных грунтовых вод

Формула изобретения

Устройство для аккумуляции атмосферных осадков и накопления пресных грунтовых вод, включающее галечное или щебнистое покрытие с приемной поверхностью в виде трехслойной структуры: верхний слой толщиной 20 см из гальки или щебенки диаметром 5-10 см, средний слой толщиной 20 см из гальки или щебенки диаметром 3-5 см, и нижний слой толщиной 10 см из средне-крупнозернистого песка, расположенный на водонакопительном горизонте, представленном незасоленным супесчаным или суглинистым грунтом, лежащем на водоупоре, на котором устроена дренажная система с уклоном к водовыпуску.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам водоснабжения в основном для сельскохозяйственных нужд в аридных зонах. В засушливых маловодных районах при наличии атмосферных осадков население имеет возможность получать пресную воду на участках, где отсутствует растительность, отсутствует поверхностный сток, где дневная поверхность способна быстро пропускать дождевую воду в нижележащие горизонты. В большинстве случаев таким условиям отвечают массивы незаросших барханных песков и каменные щебнистые россыпи. В этих условиях часть атмосферных осадков в виде гравитационного вертикального стока мигрирует вниз через зону аэрации и накапливается над водоупорным слоем, образуя горизонт пресных вод. Накапливаемая пресная вода используется для хозяйственных нужд с помощью колодцев, скважин, кяризей, если позволяют гидрогеологические условия.

Наиболее успешно пропускает атмосферные осадки в нижележащие горизонты каменная галька или щебенка. Фильтрация гальки обеспечивает поступление осадков любой интенсивности, а при толщине галечного слоя более 0,3 м нижележащие горизонты предохраняются от иссушения. Важнейшим свойством галечников является то, что они длительный период (более 100 лет) не зарастают растительностью.

Исследованиями установлено, что слой гальки размером 3-5 см и толщиной насыпи 20 см в летний период в течение пяти дней теряет на испарение 1,13 мм влаги. На шестые сутки величина испарения и сорбции (конденсации) паров атмосферного воздуха при суточном ритме температур поверхностных горизонтов выравнивается, что свидетельствует о прекращении испарения из запасов воды ранее выпавших осадков. Эти показатели позволяют сделать следующий вывод: если разовая величина осадков не превышает 1,13 мм, они целиком идут на испарение, если осадки превышают 1,13 мм - часть из них (1,13 мм) идет на испарение, а все, что превышает эту величину, погружается в нижележащие горизонты и накапливается на водоупоре в виде пресных грунтовых вод.

На гидрологическом комплексе Всероссийского НИИ агролесомелиорации (г.Волгоград) поверхность лизиметров (6,3 м²), имеющих объем 20,5 м³ (см. Н.Ф.Кулик и др., 1996), в 2005 г. покрыли 20-см слоем гальки размером 3-5 см (фиг.1). Еженедельные замеры вытекающей из лизиметров воды показали, что в течение года в грунтовые воды, фильтруется 68-83% выпадающих осадков (202-254 мм). В течение 3 лет на галечном покрытии не появилась растительность. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что покрытая каменной галькой или щебенкой поверхность почвогрунта обеспечивает накопление осадков в почвогрунте и способствует формированию пресных грунтовых вод.

Ф.И.Зибольд (1904) приводит описание каменных куч в Крыму, имеющих толщину до 5 м и объем 1200-2900 м³. Он предположил, что они конденсировали атмосферную влагу, которая использовалась жителями г.Феодосия. Однако его раскопки показали, что описываемые кучи не имели дренажных труб. А.А.Роде (1978) приводит описание других подобных каменных куч, которые также должны были конденсировать атмосферную влагу. А.Волков (1968) предлагает насыпать каменные кучи, где будет конденсироваться атмосферная влага и орошать расположенные рядом деревья. В.И.Алексеев и М.Ю.Березин (электронный ресурс) предлагают на побережье морей создавать каменные насыпи для конденсации паров атмосферного воздуха за счет суточных и сезонных колебаний температуры. Недостатком описанных каменных куч является их большая масса и малая поверхность, способная принимать и аккумулировать атмосферные осадки. А.А.Роде (1978) обосновал невозможность в природных условиях конденсации атмосферной влаги в объемах, позволяющих каптировать ее для хозяйственных нужд.

Аналогов устройства галечного или щебнистого покрытия почвогрунтов для аккумуляции атмосферных осадков и последующего отбора их для хозяйственных нужд при помощи дренажа не обнаружено. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить аккумуляцию воды выпадающих осадков для последующего использования их в хозяйственных целях. Указанный результат достигается следующим путем. В необходимом месте делается расчет на потребность в воде. Например, в зоне выпадения 250 мм осадков для чабанской животноводческой бригады или персонала газоперекачивающей станции требуется в год 1500 м³ воды. При КПД сбора осадков 60% эту воду можно собрать на площади 1 га. Оптимальная конфигурация этой площади - круг. На выбранной площади создается трехслойный объект, конструкция которого выбирается в зависимости от местных условий (фиг.2, 3, 4). Первый горизонтальный слой - это приемная поверхность (горизонт поглощения), второй слой - горизонт накопления и третий слой - водоупорный горизонт. Приемная поверхность также трехслойная. Первый слой (1) толщиной 20 см состоит из гравия (щебня) размером 5-10 см. Его основное назначение - предохранение приемной поверхности от зарастания растительностью. Второй слой (2), также толщиной 20 см, отсыпается галькой или щебенкой размером 3-5 мм. Его назначение - предохранение выпадающих осадков от испарения. Слой этот активно пропускает влагу вниз и предохраняет ее от испарения. Третий слой (3) толщиной 10 см отсыпается средне-крупнозернистым песком. Он обеспечивает разрыв капиллярных токов влаги с нижних влагоемких горизонтов и служит для временного поглощения интенсивных осадков. Общая толщина горизонта поглощения 50 см.

Второй слой - это горизонт водонакопления. Он представлен супесчаным или суглинистым грунтом (4), имеющим полевую (наименьшую) влагоемкость 18-22%. Толщина его 150 см. Эти показатели являются оптимальными для того, чтобы поглотить годовые осадки 350 мм и равномерно сбрасывать их для хозяйственных нужд. Если горизонт водонакопления отсыпать песчаным грунтом, у него будет быстрая водоотдача, глинистые грунты обладают малой полезной водо-вместимостью.

Третий слой представляет собой водоупор (6). Наиболее целесообразно для этого использовать глину. Водоупор имеет уклон к водосборнику. На нем устраиваются дренажные трубы (5) или отсыпается галечный слой толщиной 10 см.

Устройство водосборного сооружения может быть осуществлено по различным вариантам. Вариант первый (фиг.2): На поверхности участка (7) отсыпается глинистый водоупор с водовыпуском. На водоупорный слой насыпается водонакопительный грунт в виде усеченного конуса. Грунт покрывается трехслойным горизонтом поглощения. Такое сооружение можно строить на такырах, где поверхность практически водонепроницаема. Второй вариант (фиг.3): На участке, где водоупорный слой, в том числе уровень соленых грунтовых вод 2-4 м (9), устраивается дренажная сеть с водосборником на глубине их залегания (см. патент № 2288329 РФ). На поверхность участка отсыпается трехслойный горизонт поглощения. Используется пресная линза (8), которая формируется за счет просачивания осадков. Третий вариант (фиг.4): По периметру водонакопительного участка строится каменная или металлическая водонепроницаемая стена высотой 1,5 м (10). Внутри участка устраивается водонепроницаемое ложе и дрена с водовыпуском. Пространство, огороженное стеной, заполняется супесчаным или суглинистым грунтом, который покрывается трехслойным горизонтом поглощения. Для всех вариантов должны быть выдержаны несколько условий. Водонакопительный грунт должен быть влажным и иметь минимальное засоление (<0,1%), и вокруг сооружения должны отсутствовать подвижные пески. Засоленные грунты требуют много времени для промывки, сухие грунты также потребуют год для естественного увлажнения, а подвижные пески могут быстро засыпать галечное покрытие.

Источники информации

1. Алексеев. В.В., Березин М.Ю. - М.: МГУ, географ, ф-тет [Электронный ресурс]. Режим доступа http//www.intersolar.m/bulletin/3/alekseev, shtm.

2. Волков И. Реальная фантастика/Наука и жизнь, 1968, № 11. - С.66-67.

3. Зибольд Ф.И. Роль подземной росы в водоснабжении г.Феодосия / Почвоведение, 1904, № 4.