Управление процессом формирования качества воды Ингулецкой оросительной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонский государственный аграрный университет,

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ ИНГУЛЕЦКОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

В.В. Морозов - канд. с.-х. наук, профессор;

Е.Г. Волочнюк - канд. с.-х. наук, доцент;

А.В. Морозов - канд. с.-х. наук, доцент;

Е.В. Козленко, В.И. Пичура

Аннотация

поливной вода оросительный ингулецкий

Изучены современные условия и проблемы формирования качества поливной воды в Ингулецкой оросительной системе, предложены мелиоративные мероприятия по ее улучшению. Приведены результаты производственного эксперимента по коренному изменению условий формирования качества поливной воды и экологическому оздоровлению р. Ингулец.

Were studied current conditions and problems of forming the quality of irrigation water in Ingulets irrigation system, were proposed ameliorative measures for its improvement. Given the results of the production experiment on radical changing of the conditions of formation of irrigation water quality and environmental improvement of Ingulets river.

Постановка проблемы

Ингулецкая оросительная система (ИОС), которая расположена на юге Украины, в отечественной гидромелиоративной практике была уникальной по технологии формирования водоподачи и качества поливной воды. Источником орошения ИОС одновременно являются реки Ингулец и Днепр. Русло р. Ингулец в осенне-зимний период используется для сброса шахтных вод промышленных предприятий Кривбасса (содержание солей хлоридов в воде достигает 2500…3000 мг/дм³). Сброс осуществляется ежегодно с целью предотвращения аварийной ситуации на гидротехнических сооружениях Криворожского горнорудного бассейна, согласно соответствующего Распоряжения Кабинета Министров Украины «О сбросе излишков возвратных вод в р. Ингулец» и Регламента сброса излишков сточных вод горнорудных предприятий Кривбасса [1…3].

От начала эксплуатации ИОС, с 1957 до 1988 гг., перед началом подачи воды на орошение ежегодно осуществлялась откачка «соленой призмы» от главной насосной станции (ГНС) до устья, то есть днепровская вода подтягивалась к ГНС на начало вегетационного периода. Объем откачки 60…90 млн м³ (в зависимости от расхода воды в р. Ингулец). С 1988 г. (с вводом в эксплуатацию канала Днепр-Ингулец) ежегодно, перед началом вегетационного периода, осуществляется промывка русла р. Ингулец, но из года в год качество оросительной воды в Ингулецком магистральном канале (ИМК) ухудшается. Это существенно влияет на эколого-мелиоративное состояние агроландшафтов и урожайность сельскохозяйственных культур.

Состояние изученности проблемы

Промывка русла р. Ингулец, которая осуществляется ежегодно весной водой Карачуновского водохранилища, не обеспечивает удовлетворительное качество воды в ИМК в вегетационный период и не решает полностью вопрос экологического оздоровления р. Ингулец. В вегетационный период вода р. Ингулец имеет повышенное содержание хлора, натрия и др. солей.

Поэтому технологическим проектом подачи воды удовлетворительного качества в ИОС предусмотрено разбавление ингулецкой воды днепровской, которая поступает по руслу р. Ингулец как «антирека», в соотношении не менее 1:3, 1:2 для обеспечения условно удовлетворительного качества воды в ИМК. Экспресс-показателем качества оросительной воды ИОС в системе эколого-мелиоративного мониторинга целесообразно считать хлориды, потому что их содержание имеет тесную корреляционную связь со всеми химическими и ирригационными показателями [2]. В 2005-2010 гг. наблюдалось постоянное уменьшение объемов водоподачи и сокращение периода работы ГНС Управления каналами (УК) ИОС. Причины этого: уменьшение площадей полива; переход значительного количества водопользователей на капельное орошение; отказ городского коммунального предприятия «Николаевводоканал» от наполнения Октябрьского водохранилища.

В современных условиях большинство сельскохозяйственных товаропроизводителей, которые работают на территории ИОС, ориентируются на ресурсо- и энергосбережение, стремятся эффективнее использовать оросительную воду и уменьшать объемы водозабора путем внедрения современных технологий полива и новой дождевальной техники. Но для функционирования Ингулецкой системы, проектная технология водоподачи, которая была рассчитана на значительные объемы воды, способствует ухудшению качества поливной воды и снижает эффективность орошения на Ингулецком массиве.

Задачи и методика исследований

Современный этап развития орошаемого земледелия на ИОС предусматривает создание условий для стабильного управления эколого-мелиора-тивным режимом почв и сухостепных агроландшафтов в целом, а также качеством поливной воды, являются основными факторами влияния на формирование урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. В основе принятия оптимальных управленческих решений должна быть объективная информация, полученная в результате мониторинговых исследований, включающих сбор, обработку, анализ, моделирование и прогнозирование исследуемых показателей (индикаторов) и процессов.

Поэтому, основной задачей работы было исследовать альтернативные варианты формирования качества воды в ИМК. Основным методом исследований является производственный водохозяйственный эксперимент по изменению условий формирования качества поливной воды.

В работе использованы стандартные методики гидрохимических исследований и апробированы новые методы экспресс-прогнозов показателей плодородия и эколого-мелиоративного режима почв, которые предложены Херсонским государственным аграрным университетом (ХГАУ) [5]. Использованы фондовые материалы УК ИОС [4].

Результаты исследований

Головная насосная станция Ингулецкой оросительной системы в 2008-2010 гг. в вегетационный период работала преимущественно 1…2 насосными агрегатами (расходы составляли, соответственно, 5,5…11 м³/с), иногда, на кратковременный период, подключался 3-й агрегат (16,5 м³/с).

В работе ГНС в течение поливного сезона были выделены несколько характерных периодов. Первый период работы ГНС: начало работы 25 апреля - 15 мая (в зависимости от заявок сельхозтоваропроизводителей, погодных условий, влагозапасов в почве) до 1…2 декады июня. В этот период в р. Ингулец выше и ниже створа ГНС находится промывная вода из Карачуновского водохранилища, содержание солей хлора составляет 260…320 мг/дм³. Вода такого качества удовлетворяет водопользователей. Кроме этого, стабильное удовлетворительное качество воды в источнике орошения позволяет УК ИОС выполнять мероприятия по энергосбережению, и не следует включать дополнительные агрегаты ГНС для формирования необходимого качества воды. Появляется возможность в дневное время (когда действуют высокие тарифы на электроэнергию) уменьшать объем водоподачи в ИМК путем уменьшения количества работающих агрегатов, а в ночное время (действует льготный тариф на электроэнергию), перекачивать воду большими объемами, используя как регулирующие емкости Явкинский МК и Любинское водохранилище.

Существенным недостатком традиционной схемы промывки является то, что высокоминерализованная ингулецкая вода (количество хлоридов до 900…1000 мг/дм³ - естественный фон р. Ингулец) подходит к ГНС сверху «на хвосте» у промывной гораздо раньше, чем подтягивается снизу «антирекой» днепровская вода. При этом в ИМК периодически наблюдается неудовлетворительное качество воды (содержание солей хлора до 700 мг/дм³), которая формируется вследствие недостаточной доли днепровской воды при малом количестве работающих насосных агрегатов ГНС (1…2) и значительном постоянном колебании уровней воды в р. Ингулец.

Для моделирования и прогнозирования одномерных рядов показателей качества воды в оросительных каналах применение линейных методов, как показали результаты исследований, не дает точных и достоверных результатов. Для дальнейшего моделирования изменений показателей качества воды использован нелинейный метод нейронных сетей (архитекту-ра - многослойный перцептрон). Теоретико-методологическое обоснование использования этого метода в гидромелиорации, мелиоративном почвоведении и гидрогеологии а также прогнозные расчеты выполнены В.В. Морозовым и В.И. Пичурой [5]. Результаты прогноза среднегодовых показателей минерализации оросительной воды Ингулецкого магистрального канала до 2015 г., при традиционной схеме формирования качества воды в ИМК «антирека», представлены на рисунке.

Важным этапом проведенных исследований является совершенствование методов моделирования и прогнозирования показателей химического состава оросительной воды. Внедрение новых, современных методов математического и статистического моделирования и прогнозирования способствуют выполнению двух основных задач - прогнозирования процесса формирования качества оросительной воды с целью предупреждения негативных последствий полива некачественной водой и своевременные внедрение мелиоративных мероприятий.

Прогноз минерализации (S, г/дм³) оросительной воды ИМК в 2015 г.

В результате многочисленных экспериментов, для прогнозирования сложной системы формирования химического состава оросительной воды ИМК на базе использования метода нейронных сетей, был разработан ряд оптимизационных моделей [5], достоверность которых на тестовой выборке, при стандартной погрешности (5%) находится в пределах 79…92%.

Достоверность полученных моделей для прогнозирования среднегодовых изменений химического состава воды ИМК с учетом стандартной погрешности на контрольной выборке (кросс-проверка) равны: минерализация - 85%, анионы (НСО₃^- - 92%, Сl^- - 79%, SO₄² - 88%), катионы (Ca²⁺ - 88%, Mg²⁺ - 79%; Na⁺+К⁺ - 87%). Краткосрочный прогноз (на 1-2 года) более точный, чем долгосрочный (более 2-х лет), так как при увеличении периода прогнозирования достоверность полученных результатов уменьшается и прогноз требует корректировки.

Прогнозы изменения качества воды ИОС показали, что:

ирригационные показатели являются результатом сложного процесса формирования соответствующего количества и качества воды в Ингулецком магистральном канале при смешивании днепровской и ингулецкой воды с помощью ГНС;

при существующей системе формирования качества поливной воды («антирека»), в условиях всех режимов работы ГНС, происходит стабильное ухудшение всех показателей химического состава воды и, в первую очередь, ее минерализации. На период 2009-2015 гг. прогнозируется ухудшение на 8…10% всех ирригационных показателей качества поливной воды.

На основании результатов проведенных производственных, лабораторных и прогнозных исследований [1…6], руководством УК ИОС, Госводхозом Украины и Херсонским ГАУ была разработана и прошла опытно-производственную проверку в 2010 г. новая альтернативная схема промывки р. Ингулец. По этой схеме, согласно утвержденного «Регламента экологического оздоровления р. Ингулец, улучшения качества воды в Карачуновским водохранилище и на водозаборе Ингулецкой оросительной системы», режим расходов из Карачуновского водохранилища формируется следующим образом: с 15 апреля - постепенное увеличение сбросов до 20 м³/с, 16-30 апреля - 20 м³/с; 1 мая - 31 августа - 10…15 м³/с. Общий объем сброса из Карачуновского водохранилища должен достигать в среднем 190 млн м³. При этом, качество воды по содержанию солей хлора в Карачуновским водохранилище в среднем обеспечивается на уровне 150 мг/дм³.

Производственный эксперимент показал, что этот новый вариант позволит обеспечить удовлетворительное качество воды на водозаборе Ингулецкой оросительной системы в вегетационный период, начиная с 1 мая. Для перехода на формирование качества поливной воды в ИОС по новой схеме необходимо бассейновое управление водными ресурсами р. Днепр и р. Ингулец, которое должно быть обеспечено соответствующим государственным финансированием. Для окончательного обоснования предлагаемого варианта планируется проведение дальнейших гидрологических и гидрохимических исследований по бассейновому регулированию качества воды в р Ингулец и на Ингулецкой оросительной системе.

Выводы и предложения

При современных водохозяйственных и экономических условиях эксплуатации ИОС, которые сформировались в настоящее время, перспективным вариантом обеспечения соответствующего качества воды в ИМК является формирование стабильного удовлетворительного качества воды в источнике орошения р. Ингулец на протяжении всего вегетационного периода путем осуществления попусков воды удовлетворительного качества из Карачуновского водохранилища в период с 15 апреля до 1 августа с незначительным корректировкой в зависимости от погодных условий года расходами не менее 12 м³/с.

Выполнение этого инженерно-мелиоративного технологического процесса в условиях бассейнового управления водохозяйственным комплексом, обеспечит улучшение качества воды в ИМК, экологического состояния р. Ингулец и всего орошаемого массива. Для реализации этого варианта необходимо комплексное научное технико-экономическое и экологическое обоснование нового режима водопользования на ИОС с учетом фактических проявлений изменения климата на юге Украины.

Библиографический список

1. Науково-методичне обґрунтування регламенту промивки р. Інгулець нижче греблі Карачунівського водосховища для різних екологічних та гідрологічних ситуацій. Київ: ВАТ «Укрводпроект», 2000. 23 с.

2. Морозов В.В., Нежлукченко В.М., Волочнюк Є.В. Формування якості зрошувальної води на Інгулецькому масиві. Херсон: Наддніпряночка, 2003. 228 с.

3. Регламент проведення промивки русла р. Інгулець від греблі Карачунівського водосховища до гирла (2000-2009 рр.).

4. Фондові матеріали Управління каналів Інгулецької зрошувальної системи за 2000-2010 рр.

5. Морозов В.В., Пічура В.І., Морозов О.В. Теоретико-методологічні основи застосування методу нейронних мереж при прогнозуванні показників меліоративного режиму зрошуваних ландшафтів. Таврійський науковий вісник: 3б наук. праць ХДАУ. Херсон:Айлант, 2009, Вип. 65, 4.2. С. 3-12.

6. Лозовицький П.С., Морозов В.В., Волочнюк Є.Г., Сафонова О.П. Методи поліпшення якості поливної води в умовах Інгулецького зрошуваного масиву. Тавр. науковий вісник: 3б наук. Праць ХДАУ. Херсон:Айлант, Вип. 65, 4.2. 2009, С. 184-194.

Размещено на Allbest.ru