Обоснование эксплуатационных режимов работы оросительных систем (на примере Саратовского Заволжья)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обоснование эксплуатационных режимов работы оросительных систем (на примере Саратовского Заволжья)

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Рыбкин В.Н.

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре эксплуатации гидромелиоративных систем ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кирилл Вадимович Губер (Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова РАСХН);

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Анатолий Васильевич Шуравилин

(ФГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»);

доктор технических наук, профессор Александр Евгеньевич Касьянов (ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»).

Ведущая организация - Российский государственный аграрный университет- МСХА им. К.А. Тимирязева

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из проблем, сдерживающих социально-экономическое развитие в Саратовском Заволжье, является ухудшение мелиоративных, водохозяйственных и экологических условий, связанное с широким развитием орошения в бассейне Волги. Перед мелиоративной наукой поставлены новые сложные народнохозяйственные задачи: разработка и осуществление мер по ускорению перехода на водосберегающие технологии орошения, охрана окружающей среды, бережливое использование земельных угодий, сохранение почвенного плодородия, широкое внедрение прогрессивных способов поливов, разработка и создание технически совершенных систем, реконструкция и повышение технического уровня гидромелиоративных систем. В диссертации рассмотрены вопросы оптимизации мелиоративных режимов орошаемых земель и совершенствования водопользования на примере данного региона.

Результаты исследований могут быть использованы не только на территории Саратовского Заволжья, но и в аналогичных условиях сопредельных территорий.

Цель работы - обоснование эксплуатационных режимов на оросительных системах засушливой зоны степей. Для достижения цели были решены следующие задачи.

Аналитическая оценка особенностей планирования водопользования в хозяйствах и на оросительных системах.

Изучение процессов планового, фактического и расчетного водопользования, состояния водозабора, водоподачи.

Оптимизация эксплуатационных режимов орошаемых земель.

Выполнение производственных исследований. Разработка и внедрение нормативных документов.

Уточнение методики расчета оперативных режимов орошения сельскохозяйственных культур.

Методология и методика исследований. В основу методологии положено учение Докучаева-Вильямса-Костякова о генезисе и мелиорации почв как особого природного образования, о единых циклах геологического и биологического круговоротов воды, минеральных и органических веществ, о необходимости целенаправленного управления этими круговоротами.

В основу теоретических, экспериментальных и полевых исследований положено изучение общего и частных водных балансов орошаемых земель на опытно-производственных участках с использованием методов системного анализа.

Научная новизна заключается в разработке, обосновании и применении методов и технологий регулирования эксплуатационных режимов орошаемых почв Саратовского Заволжья, включающих:

оценку современного состояния мелиорации земель в Саратовском Заволжье в зависимости от применяемых систем мелиорации и земледелия;

разработку и обоснование эксплуатационных режимов, обеспечивающих рациональное природопользование и экологическую безопасность мелиорации земель в различных агроклиматических зонах Саратовского Заволжья.

Защищаемые положения.

Оценка современного состояния мелиорации сельскохозяйственных земель в Саратовском Заволжье и применяемых технологий орошения.

Методика обоснования эксплуатационных режимов орошаемых земель на примере Саратовского Заволжья.

Способы управления водопользованием на оросительных системах засушливой зоны.

Практическая значимость:

обобщение и анализ опыта современных технологий орошения и мелиоративного состояния орошаемых земель Саратовского Заволжья;

разработка, обоснование и внедрение эксплуатационных режимов орошаемых земель, обеспечивающих рациональное природопользование и экологическую безопасность мелиорации;

предложения по дальнейшему совершенствованию водопользования на оросительных системах.

Реализация результатов исследований осуществлялась:

проведением исследований непосредственно на производственных посевах и внедрением результатов в хозяйствах и на системах зоны;

публикацией статей и докладами на научно-производственных конференциях.

Результаты работы используются: в учебном процессе - в лекционных курсах, производственной практике, курсовых и дипломных проектах; в научно-исследовательской работе при разработке рациональных параметров мелиоративного режима почв, проектного дифференцированного режима и техники орошения для различных почвенных, климатических, гидрогеологических и других условий. Использовались при составлении учебных пособий «Эксплуатация мелиоративных насосных станций и закрытых оросительных систем» (1993), «Средства измерения расхода и давления на оросительных сетях мелиоративных систем» (1995); «Внутрихозяйственное водопользование на оросительных системах» (1999).

Разработки автора демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены бронзовой медалью выставки (1975).

Автор выражает глубокую благодарность и признательность д.т.н., профессору А.И. Голованову за постоянное внимание и ценные указания, полученные при выполнении работы.

Исследования и внедрения выполнял в 1966-2006гг. коллектив сотрудников НИС МГМИ (НИЧ МГУП) при непосредственном участии и под руководством автора, который являлся в разные годы исполнителем, научным руководителем темы.

Научное руководство исследованиями по хоздоговорным темам кроме автора в разные годы осуществляли д.т.н., профессор М.Ф. Натальчук, д.т.н., профессор Е.П. Галямин, д.т.н., профессор В.А. Сурин.

Автор участвовал во всех этапах исследований и в период с 1966 по 2006 годы выполнял непосредственно следующие работы: теоретические исследования, организация и проведение исследований на опытно-производственных участках, научно-методическое руководство исследованиями, обобщение материалов исследований и написание научно-технических отчетов по хоздоговорным и госбюджетным темам, разработка и совершенствование техники и технологии полива, прогнозы водного режима на объектах орошения, расположенных в различных районах Советского Союза, т.е. в совхозе «Энгельсском» Саратовской области (1966...1981 гг.), на Энгельсской оросительной системе (1974...1980, 2005 гг), в совхозе «Коммунизм» Таджикской ССР (1989-1990 гг.), на Аркинском массиве в Киргизии (1989-1991 гг.). Последние годы (1995-2001 гг.) сотрудничал в разработке хоздоговорной тематики с институтами Союзгипроводхоз, Союзводпроект (Госкоммелиовод).

Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях МГМИ и МГУП ежегодно с 1976 по 2009 гг. Разработанные методики использованы в условиях совхоза «Энгельсский» и Энгельсской оросительной системы для планирования и осуществления внутрихозяйственного и системного водопользования. Материалы диссертации вошли в состав пособия к СНиП 2.06.03.85 «Методы проектирования открытых каналов оросительных систем, обеспечивающие водо- и энергосбережение», разработанного ГП СНЦ «Госэкомелиовод» (2000г.).

Публикации. Содержание диссертации изложено в 69 опубликованных работах, в том числе в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, опубликовано 8 научных работ. Материалы диссертации также изложены в 50 научных отчетах МГМИ и МГУП, написанных лично автором и в соавторстве.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и предложений производству, она изложена на 226 страницах машинописного текста и имеет 40 таблиц, 38 рисунков. Библиографический список содержит 248 наименований.

АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И ХОЗЯЙСТВЕННЫХ УСЛОВИЙ САРАТОВСКОГО ЗАВОЛЖЬЯ НА ОСНОВЕ ЛАНДШАФТНО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Саратовская область является одной из самых крупных в юго-восточной зоне Российской Федерации. Ее площадь составляет более 100 тыс. км². На территории области проживают более 2,7 млн человек, из них 2 млн. в городах, более 700 тыс. в сельской местности. Сельскохозяйственные угодия занимают 8,5 млн га, в том числе пашня - 6,2 млн га. Саратовское Заволжье расположено в нескольких природных зонах на площади 3,5 млн га, простирающейся от Уральской области Казахстана (на востоке) до реки Волги (на западе), поэтому масштабность территории, ее протяженность в меридиальном (300 км) и широтном (325 км) направлениях обуславливают большое разнообразие климатических, почвенных и природно-геологи-ческих условий, эта зона часто подвергается губительным воздействиям засух и суховеев.

Для Саратовского Заволжья характерно большое разнообразие климатических условий, резко выраженная континентальность со значительными колебаниями температур, сухость воздуха, малое количество атмосферных осадков.

Для характеристики природных зон, с точки зрения почвенно-мелиоративных условий, наиболее подходящим является «индекс сухости», предложенный М.И. Будыко (1956, 1977), в основу которого положено отношение радиационного баланса деятельной поверхности (R) к годовым осадкам, выраженным в количестве тепла, необходимого для испарения (Lo_с).

На основе анализа и обобщения данных по тепловому балансу, количеству атмосферных осадков и влажности почв установлено, что границы основных природных зон Саратовского Заволжья достаточно хорошо увязываются с гидротермическими коэффициентами - R/Lo_с (табл. 1, рис. 1).

Таблица 1

Агроклиматическая характеристика территории Саратовского Заволжья

Природная зона	R LОс	Кол-во осадков Ос, мм	Сумма темпе-ратур выше 100С	Радиа-цион-ный баланс R, ккал /см2	Испаря-емость Ео, м3/га	Продолжи-тельность периода с t100C	Континен-тальность климата, t0С	Глубина промер-зания почв, см
Лесостепь	0,80	276	1700	34,7	5700	125	42	200
Степь	1,00	375	2200	39,0	6600	130-140	40-42	190
Полупу-стыня	1,80	250	2800	43,2	7200	145-150	38-40	180

В соответствии с этим, суммы активных температур выше 10⁰С в Саратовском Заволжье закономерно нарастают с севера на юг от 1700⁰С до 2800⁰С (рис. 2).

Территория Заволжья, расположенная на левом берегу Волги в Саратовской области, относится к зоне неустойчивого увлажнения с засушливым континентальным климатом. Зимой преобладает интенсивная циклоническая деятельность, сопровождаемая усилением переноса воздушных масс с запада на восток. Весной имеют место меридиальные переносы, способствующие обмену воздушных масс между севером и югом, что вызывает как интенсивное таяние снега, так и типичные для весны возвраты холодов. Летом погода формируется в основном за счет трансформации воздушных масс в антициклонах, чему способствует большой приток солнечной энергии.

Разница между максимальной летней и минимальной зимней температурами достигает 83...85⁰С, а разница средних температур воздуха тех же периодов составляет около 32...37⁰С.

Осадки в среднем на территории составляют 300...350 мм за год, на юго-востоке Левобережья (Александров-Гай, Новоузенск) около 250 мм. Средняя годовая температура воздуха равна 5,3⁰С. Абсолютный минимум -44⁰, абсолютный максимум 42⁰. Средние суммы температур воздуха выше 10⁰ составляют 2700...2900⁰. Лето продолжается около 4 месяцев. Продолжительность вегетационного периода 150...160 дней, безморозного периода 145...155 дней, последний заморозок в среднем наблюдается в первой декаде мая. В отдельные годы заморозки возможны в первой декаде июня.

По основным природным показателям Саратовская область в целом исторически считается зоной рискованного земледелия, а Левобережье без орошения - краем без будущего.

Орошаемое земледелие в отличие от богарного дает несравненно большие возможности управления главными факторами, определяющими плодородие почвы, ее водным и питательным режимами, то есть позволяет придать сельскому хозяйству региона характер устойчивого, динамично развивающегося производства.

Не менее важны и значительны социальные последствия орошения. В период строительства оросительных систем сёла стали многолюднее (прекратился отток населения из степных районов) и благоустроеннее. В сельской местности строились школы, детские сады, асфальтированные дороги, осуществлялась газификация поселков, возводились объекты культуры и здравоохранения. Степь преображалась. /В.А. Нагорный, 1997/.

Весь ирригационный фонд Саратовской области располагается на больших оросительных системах левого берега Волги, все системы с машинным водоподъемом из Волгоградского водохранилища.

В работе предлагаются три уровня конечных целей орошаемого земледелия, на базе которых проводились длительные теоретические и полевые исследования, на основе геосистемных подходов к природообустройству:

1-ый уровень (ландшафтный)	Сохранение благоприятной экологической обстановки в пределах ландшафта
2-ой уровень (агро-экосистемный)	Сохранение динамического экологического равновесия в пределах экосистемы с учетом ведения высокорентабельного сельскохозяйственного производства
3-ий уровень (агро-культурный)	Получение оптимального урожая сельскохозяйственных культур с учетом сохранения почвенного плодородия

Отношения человека с природой можно разделить на: природоведение, природопользование, природообустройство.

Природообустройство в значительной мере выражается в улучшении (мелиорации) земель разного назначения: сельскохозяйственных, водного и лесного фондов, населенных пунктов, промышленности, транспорта, связи, земель рекреационного, оздоровительного, историко-культурного, научного, оборонного назначения.

Следовательно, вся суша представляется в виде совокупности ландшафтов. Под ландшафтом понимают генетически единую геосистему, однородную по зональным и азональным признакам и включающую специфический набор локальных систем: местностей, урочищ, фаций.

Одной из главных задач экологического картографирования является уяснение исходного состояния природной среды, подвергшейся антропогенному воздействию. Поэтому крайне необходима информация о естественной дифференциации природной среды, характере ландшафтного (биогеоценологического) покрова. Только в этом случае возможно планирование рационального и экологически сбалансированного природопользования. Комплексную характеристику естественной природной неоднородности дает ландшафтная карта.

В Саратовской области в соответствии с увеличением континентальности климата с северо-запада на юго-восток в субширотном направлении сменяют друг друга лесостепная зона, степная и полупустынная. Саратовское Заволжье занимает 55 % территории области (Эколого-ресурсный атлас Саратовской области).

Саратовское Заволжье относится к числу наиболее засушливых зон в стране. В засушливые годы валовые сборы зерна по сравнению с благоприятными периодами снижаются более чем в 4 раза, в то время как в целом по стране в 1,5 раза. Всякие попытки предельно ограничить воздействие засухи путем проведения организационных и агротехнических мероприятий дают наибольший эффект лишь при условии орошения.

В результате недобора урожая с естественных угодий в острозасушливые годы выход животноводческой продукции снижается. Таким образом, общий недобор продукции составляет почти 40 % от сбора сельскохозяйственной продукции среднего года.

Быстрый рост мелиорированных земель и объемов производимой на них сельскохозяйственной продукции привел к созданию в этой зоне по существу новой отрасли - орошаемого земледелия.

В засушливые годы резко снижается объем заготовок сочных, грубых и концентрированных кормов, уменьшается поголовье скота и птицы.

По подсчетам специалистов общий ущерб от засух 1972 и 1975 годов в области составил 1278 млрд руб. Обосновывая роль мелиораций в обеспечении стабильности сельскохозяйственного производства, один из основоположников развития орошения в России академик А.Н. Костяков и ряд ученых отмечали, что потери продукции в результате одного крупного неурожая обходится государству дороже, чем стоимость мелиоративных работ.

Водопользование в засушливой зоне

Роль А.Н. Костякова в формировании сельскохозяйственных мелиораций в нашей стране непреходяща. Он первый подошел к изучению проблем мелиораций как теоретик. Важнейшими достижениями А.Н. Костякова в построении мелиоративной науки являются:

постановка в основу преобразований природной среды требований растений к условиям жизни;

использование количественных методов расчета необходимых мелиоративных воздействий и, прежде всего, метода водного баланса;

подход к сельскохозяйственным мелиорациям как к природно-технической системе, в которой должно достаточно точно учитываться взаимодействие ее составных частей /Е.П. Галямин, 1990/.

В настоящее время большое внимание стало уделяться вопросам сохранения почвенного плодородия.

Все эти важнейшие направления получили в последние десятилетия 20-го века значительное развитие в работах учеников и последователей А.Н. Костякова. И в каждом из направлений четко прослеживается фундаментальное влияние его идей. Можно без преувеличения сказать, что без работ А.Н. Костякова теоретическая мысль в области мелиораций не могла достигнуть современного уровня. А без этого трудно представить себе и достижение практических результатов в области создания гидромелиоративных систем, по крайней мере, лучших из них.

Современные гидромелиоративные системы, особенно создаваемые в засушливой зоне, представляют собой сложнейшие природно-технические и хозяйственные комплексы. Обычным стало, когда одним водозаборным сооружением вода подается для орошения десятков, а иногда и сотен тысяч гектаров земель. Достигла значительного совершенства техническая оснащенность ГМС: каналы с противофильтрационным покрытием, крупные насосные станции, гидротехнические сооружения с автоматическими регуляторами, телемеханизация процессов управления, широкозахватная дождевальная техника, искусственный дренаж и др. Усложнилась организационная структура управления гидромелиоративными системами. Органы управления ГМС включают в себя как территориальные, так и функциональные организации: областные и районные органы, управления каналами, водохранилищами, насосными станциями. Имеются специальные ремонтные и наладочные предприятия, обеспечивающие поддержание технических средств ГМС в работоспособном состоянии. И все эти коллективы людей должны четко взаимодействовать между собой для достижения единственной цели, ради которой создаются гидромелиоративные системы - получения сельскохозяйственной продукции и сохранение почвенного плодородия.

Орошение в этой зоне сильно зависит от количества осадков, неравномерности их распределения, засух и суховеев и является важнейшим средством интенсификации сельского хозяйства.

Особенно крупные работы по развитию орошения в этой зоне были выполнены после 1966 года. Наряду с увеличением объема производства сельскохозяйственной продукции были отмечены негативные экологические последствия орошения, вызванные усилением вымывания питательных веществ из почв в результате интенсификации промывного режима, изменением условий почвообразования: от автоморфных к гидроморфным или полугидроморфным на орошаемых территориях /И.П. Айдаров, А.И. Голованов, 1990/.

Деградация почв наблюдается почти во всех зонах развития оросительных мелиораций. В Саратовской области хорошее мелиоративное состояние наблюдается на участках, где грунтовые воды залегают на глубине более 5 м, а почвы не засолены и не солонцеваты (330299 га или 72,1 % площади орошаемых земель). На участках с глубиной залегания грунтовых вод от 5,0 до 3,0 м и имеющих слабозасоленные или слабосолонцеватые почвы (63203 га или 13,8 %) оно удовлетворительное, а менее 3,0 м и почвы засолены (64917 га или 14,1 %) неудовлетворительное /А.И. Хохлов, 1996/.

Развитие мелиоративной науки подтверждает тезис о том, что выход из создавшегося положения возможен за счет оптимизации мелиоративных режимов орошаемых сельскохозяйственных земель. Гидромелиоративная система при ее проектировании и эксплуатации должна обеспечивать выполнение всех требований мелиоративного режима.

Мелиоративный режим - совокупность показателей, выражающих требования к регулируемым факторам почвообразования и развития растений /А.И. Голованов/.

Создание ГМС больших размеров породило проблемы, которые при жизни А.Н. Костякова так остро не стояли. Это проблемы управления гидромелиоративными системами.

Вопросы управления оросительными системами засушливой зоны разрабатываются в диссертации на примере Энгельсской оросительной системы.

Энгельсская оросительная система является одной из первых в Саратовской области. Первая очередь введена в эксплуатацию в 1965 г.

Валовая площадь системы - 17564 га, на 77 % орошаемых земель сеть открытая, на 23 % - закрытая. Протяженность оросительной сети 498 км, в том числе межхозяйственных каналов - 93,4 км, из которых 54,1 км облицованы железобетонными плитами.

На открытой сети поливы проводят дождеванием с применением машин ДДА-100МА, ДДН-70 и «Кубань», на закрытой сети - широкозахватной техники «Фрегат», «Днепр» и «Волжанка».

Отмечена большая изменчивость погодных условий, за вегетационные периоды недостатки водопотребления изменялись от 935 до 142 мм, т.е. в 6,6 раза, за отдельные месяцы - от 187 до 29 мм или в 6,4 раза.

Для выяснения влияния изменения недостатков водопотребления на режимы орошения определены значения величин (Е_о-Р) по декадам в характерные годы 5, 25, 50, 75, 95% обеспеченности за два периода по 25 лет (1951-1975 гг. и 1956-1980 гг.) (Е_о - испаряемость, Р - осадки).

За 2 периода по 25 лет с интервалом 5 лет освоения Энгельсской оросительной системы отмечено уменьшение недостатков водопотребления за вегетацию на 60-120 мм и для отдельных месяцев 4-44 мм. За годы эксплуатации недостатки водопотребления уменьшаются на значительную величину по мере интенсификации орошения на больших площадях (табл. 2).

Таблица 2

Недостатки водопотребления (Е_о-Р) в годы различной обеспеченности по двум периодам 1 - 1951-1975 гг. и 2 - 1956-1980 гг., мм

Р%	Месяцы
	04	05	06	07	08	09	04-09
	1	2	1	2	1	2	1	2	1	2	1	2	1	2
95	96	96	180	180	223	195	192	185	234	190	125	125	1050	971
75	61	57	126	123	151	147	166	141	155	143	100	88	759	699
50	44	38	93	88	129	113	129	101	113	103	73	54	581	497
25	25	22	69	64	110	82	95	80	75	69	54	43	428	360
5	7	-4	16	-30	69	12	64	59	-4	-4	7	4	159	37

Величины поливных норм зависят от плотности почв, наименьшей влагоемкости, глубины расчетного слоя и предполивной влажности. При планировании водопользования недостаточно учитывались водно-физические свойства почв. Основной почвенный фон на системе составляют темно-каштановые почвы, расположенные на I, II, и III террасах реки Волги.

Для оценки влияния механического состава почв на величины поливных норм проведен анализ плотности образцов почв по 20 квадратам на территории системы. Образцы отбирались экспедицией ГГИ (одна точка на 900 га), обработка данных выполнена Рыбкиным В.Н. Подсчитаны среднеквадратичные отклонения и коэффициенты вариации для каждого слоя. Определена средняя плотность слоя для 20 точек. Значения коэффициентов вариации уменьшаются с глубиной, снижается уровень пространственной неоднородности.

Для определения величин поливных норм в критические периоды при лимитированном водозаборе большое значение приобретает уточнение гидромодульного районирования земель. Выполнен анализ плотностей почв до глубины 1 м, выделены две генеральные совокупности почв: легкосуглинистые и среднесуглинистые:

Почвы	Легкосуглинистые	Среднесуглинистые
Плотность почвы	= 1,29 т/м3	= 1,41 т/м3
Среднеквадратичное отклонение	х = 0,0472 т/м3	х = 0,485 т/м3
Коэффициент вариации	Сv = 0,0365	Сv = 0,0344

Результаты расчетов на ЭВМ подтвердили независимость двух совокупностей. Уточнено гидромодульное районирование земель системы для планирования водопользования.

На Энгельсской оросительной системе сложился ирригационный тип режима грунтовых вод, связанный с подачей воды и режимами орошения. Створ скважин расположен на орошаемых землях, которые освоены с 1965 года. Наблюдения по 4 скважинам начались с 1966 года. В первые годы эксплуатации глубина грунтовых вод составляла 14,5...16,5 м. За период 1966 - 1981 гг. грунтовые воды поднялись до 5...6 м, на некоторых участках после поливов уровень грунтовых вод устанавливался в 2...3 м от поверхности земли. Подъемы грунтовых вод происходили за счет потерь из оросительной сети и инфильтрации при поливах дождевальными машинами ДДА-100М, ДДН-70, «Фрегат», «Днепр», «Волжанка».

Максимальные УГВ наблюдались к концу вегетации, что подтверждает ирригационный характер их питания, ежегодное повышение УГВ составляло 0,6-1,0м.

Забор воды из реки Волги и распределение воды между хозяйствами проводится по плану, который составляется на основе хозяйственных планов водопользования. При планировании водопользования принимаются режимы орошения, рекомендованные Управлением эксплуатации оросительной системы для различных сельскохозяйственных культур. Оросительные нормы брутто за период 1966-2001 гг. составляли 3150-11000 м³/га. По анализу эксплуатационных данных после окончания строительства II очереди системы норма водозабора составляла 3-8 тыс. м³/га. В засушливом 1972 г. на поля было подано в 1,4 раза больше воды, во влажном 1973 г. в 1,41 раза меньше, чем необходимо по условиям погоды.

За период 1972-2001 гг. повышенные подачи воды в систему отмечены 4 года - 1974, 1976, 1977, 1980. Превышение подачи составляло 2,5-0,5 тыс. м³/га за вегетацию. Эта вода пополняла грунтовые воды. Значительные отклонения в сторону заниженной подачи воды отмечены в годы 1973, 1975, 1979, 1981, что привело к снижению урожайности.

Анализ эксплуатационных данных по водопользованию на Энгельсской оросительной системе показывает необходимость улучшения планового водопользования на оросительных системах засушливой зоны с учетом критических периодов по отдельным декадам вегетации.

3. Результаты экспериментальных исследований по регулированию водного режима орошаемых земель в Саратовском Заволжье

Общей теоретической основой для разработки методов и технологий комплексного регулирования водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель является положение о совместном управлении геологическим и биологическим круговоротами воды, солей и питательных веществ.

Исследования выполнялись под руководством и при непосредственном участии автора.

Задачи оптимизации режимов орошения в условиях дефицита природных ресурсов, рассмотрены в работах И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Л.М. Рекса и др.

Принципы и технологии регулирования и управления водно-солевым режимом почв плодотворно разрабатывали Б.Б. Полынов, Л.П. Розов, А.Н. Костяков, В.А. Ковда, В.Р. Волобуев, Н.И. Базилевич, С.Ф. Аверьянов, В.М. Легостаев, А.И. Голованов, И.П. Айдаров, Ф.М. Рахимбаев, Б.А. Зимовец, Э.А. Соколенко и др.

В связи с обострившейся проблемой воздействия гидротехнических мелиораций на почву и окружающую среду в последнее время все актуальней становится необходимость дальнейшего развития взглядов В.Р. Вильямса и А.Н. Костякова на сельскохозяйственные мелиорации как на комплекс мероприятий по управлению геологическим круговоротом воды и питательных веществ в системе «атмосфера-растение-поверхностная вода-почва-подземные воды». Отражением такого подхода к мелиорации земель явилось положение о мелиоративных режимах и экологические принципы регулирования гидрохимического режима орошаемых земель, которые создаются комплексом гидротехнических и агротехнических мероприятий /Н.М. Решеткина, И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Н.И. Парфенова/.

В связи с развитием орошения в ряде регионов Саратовского Заволжья расширяется круг вопросов, которые обычно решаются при проектировании оросительных систем, возникают принципиально новые вопросы экологобиосферного характера. При этом одной из основных задач является оценка возможных изменений почвенных и экологических процессов при изменении гидротермического режима, что требует дальнейшего развития теории современных почвообразовательных процессов и определения соответствующих им экологически безопасных оросительных норм. Это нашло отражение в работах И.П. Айдарова.

Исследования проводились на опытно-производственных участках Энгельсской оросительной системы в 1975-1980 гг. Определялись поливные нормы брутто и нетто, равномерность увлажнения почвы на площади, глубина промачивания, режимы влажности почвы в зависимости от продолжительности поливов и межполивных периодов, расходование влаги в межполивном периоде из различных слоев почвогрунта.

Проведен анализ замеров 130 поливных норм. Отмечена значительная неравномерность увлажнения полей. В течение вегетационных периодов на посевах люцерны значительно изменялись режимы орошения, поливные нормы брутто составляли от 18 до 60 мм. Максимальное среднесуточное водопотребление люцерны при температуре воздуха 26,1^оС достигало 3,03 м³/га на 1^оС в сутки при влажности почвы 0,93 НВ.

Для планирования и осуществления водопользования на оросительных системах засушливой зоны необходимо накапливать опытные данные по установлению среднесуточного расходования влаги полем (Еg) м³/га на 1 градус температуры воздуха для отдельных культур по периодам развития растений. Эти значения в среднем за июль по замерам определены в пределах 1,5-3,7.

Коэффициенты использования осадков принимались с учетом рекомендаций В.В. Колпакова в зависимости от увлажненности почвы в расчетные интервалы времени. Для каждого периода вегетации устанавливали приходные статьи: используемые осадки (Р) и резерв влаги в почве при увеличении активного слоя (W). Расходные статьи: транспирация (Т_р) и испарение (И) воды растениями и почвой (Е-Т_р+И), g - влагообмен почвы с подстилающим слоем. На конец расчетного периода определяли конечный запас (W_к)

(1)

Поверхностный сброс на опытно-производственных полях отсутствовал. При расчетном слое h =1,0 м, W=0.

(2)

Суммарное испарение определялось расчетным способом с использованием данных по опытным участкам и ближайшей метеостанции. Биологические коэффициенты принимались дифференцированно для каждого расчетного интервала каждой культуры.

Рассчитаны величины влагообмена в зоне аэрации по результатам полевых исследований на опытно-производственных полях. Отмечено, что поток влаги в почве меняет величину и направление в связи с колебаниями температуры и влажности почвы.

Определено, что при средней влажности почвы в течение исследуемого периода вегетации (0,7-0,85)НВ влагообмен ниже расчетного слоя 1,0 м составлял 3-21 % и при влажности (0,86-1)НВ - 20-50 % от величины суммарного испарения.

4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕЛИОРАТИВНЫХ РЕЖИМОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В САРАТОВСКОМ ЗАВОЛЖЬЕ

Обобщенный метод определения потребности оросительной системыв водных ресурсах

В настоящее время существуют методы, позволяющие рассчитывать оперативные планы водопользования с учетом влияния всех значимых факторов. Применение этих методов на практике может существенно улучшить состояние водопользования. Однако эти методы требуют больших расчетов, проведение которых в современных условиях в большинстве хозяйств не обеспечено квалификацией кадров, вычислительной техникой, организационными условиями и, самое главное, не вызывается реальной материальной заинтересованностью в рациональном водопользовании и экономических результатах производственной деятельности. Это приводит к тому, что в большинстве случаев заявки на воду, подаваемые в УОС (Управление оросительной системы) ежедекадно не отвечают истинным потребностям, значительно завышены, что вызывает большие переполивы, приводящие к подъему уровня грунтовых вод и непроизводственному сбросу неиспользованной воды за пределы оросительной системы.

Отсюда возникает потребность в более жестком контроле реальной потребности в воде хозяйств-водопотребителей (корректировка заявок на воду) УОСом и более точное определение необходимого водозабора в систему.

В основу такого контроля может быть положен так называемый «макроподход», позволяющий рассчитать количество воды, которое необходимо подать на приведенный (средневзвешенный) гектар орошаемой площади. Этот показатель можно определять для достаточно больших массивов: точки водовыдела, хозяйства, оросительной системы в целом. В основе такого подхода лежит достаточно обоснованное представление о том, что на больших территориях орошаемых земель объем подаваемой воды за декаду равен объему водопотребления на нем. В этом случае при расчете водоподачи на севооборотный массив и водозабора в оросительную систему можно не учитывать состояние водного режима и водного баланса на конкретном орошаемом поле.

Воспользовавшись «макроподходом» можно на уровне УОС производить определение объемов и расходов воды для оценки верхней границы потребностей в ней хозяйств-водопользователей и всей системы в конкретных погодных условиях текущей декады.

Наличие такой методики дает в руки УОС инструмент для контроля заявок хозяйств-водопользователей и более точного распределения воды между ними. Основой методики является расчет величин дефицита водопотребления для декад разной обеспеченности по этому фактору.

Методика отрабатывалась на материалах Энгельсской ОС. Площадь системы составляет 17564 га, на ней насчитывается около 350 полей при средней величине орошаемого участка 50 га.

Приведем краткую иллюстрацию состояния водопользования на Энгельсской системе - сопоставление планового и фактического водопотребления. мелиорация орошаемый земля водопользование

В настоящее время расходы (объем) забора воды из источника орошения и распределения ее между хозяйствами устанавливаются по системному плану, который составляется на основе хозяйственных планов водопользования. При планировании водопользования принимаются режимы орошения, рекомендованные областным производственным управлением мелиорации и водного хозяйства на основании разработок ВолжНИИГиМ.

Ежегодно по результатам предыдущего года рекомендуемые режимы орошения изменяются. Оросительные нормы брутто изменялись за период 1966...2001 гг. с 3150 до 11000 м³/га (фактические).

Расчетные оросительные нормы определялись по уравнению водного баланса

(3)

где Е_о - испаряемость; Р - осадки; W - запасы влаги в почве.

Определены расчетные нормы брутто за вегетационный период с учетом состава культур на систем

(4)

где _с.к. - коэффициент полезного действия сети каналов системы.

При сравнении фактических и расчетных норм выяснено, что в сухие годы наблюдается недополив сельскохозяйственных культур, в результате недобор урожая: во влажные годы фактические нормы превышают расчетные, ухудшается мелиоративное состояние земель, происходит недобор урожая.

Из 10 лет водоподача приближалась к расчетной только в 2-х годах.

Расчеты по предлагаемой методике выполняются в следующем порядке:

1. Собираются климатические данные за последние 25 лет по декадам: о температуре воздуха, осадках, относительной влажности воздуха в зоне системы. Данные одной метеостанции могут быть использованы для территории в радиусе 15...20 км;

2. Для всех лет по декадам (месяцам) за периоды апрель-сентябрь проводятся балансовые расчеты по определению недостатков водопотребления

(5)

где М - недостаток водопотребления; Е - водопотребление; - биоклиматический коэффициент, полученный на основании экспериментальных данных; Е_о - испаряемость; Р - осадки, для расчетов принимают данные метеорологических станций; W - используемые запасы влаги из почвы при глубине грунтовых вод глубже 3 м; g - влагообмен почвы с подстилающимслоем.

, (6)

где h - средняя за вегетацию глубина грунтовых вод, м; е - основание натурального логарифма; m - параметр, зависящий от влагопроводности почв.

Значения e^mh принимают по данным Государственного гидрологического института (ГГИ) в зависимости от механического состава почв и глубины грунтовых вод (табл. 3);

Таблица 3.

Значения e^mh

Почвы	Глубина грунтовых вод, м
	1...2	2...3	3...4
Легкие	5,2	9	27
Средние	3,3	5	11
Тяжелые	2,9	4,1	8,2

3. По каждой декаде (месяцу) за период с апреля по сентябрь определяются характерные величины М (недостатки водопотребления) для обеспеченностей 5, 25, 50, 75 и 95 %, для чего величины М располагаются в убывающем порядке и определяются их значения при разных расчетных обеспеченностях. Выписываются расчетные величины М за вегетацию (апрель-сентябрь) для фактических расчетных лет (лет одинаковых обеспеченностей по всем декадам);

4. Определяются расчетные ординаты гидромодулей по декадам (месяцам) для характерных фиктивных лет

л/сга, (7)

где t - число суток; - доля площадей, поливаемых по системе.

Сравниваются расчетные ординаты с ординатами, которые были приняты в проекте и рекомендованы для определения расчетных расходов по периодам;

5. На основе сравнения ординат разрабатываются предложения по уточнению режимов работы системы. Составляются расчетные графики работы системы в характерные годы. При сравнении следует выделить - какой объем воды по месяцам понадобится подать, как использовать сток для орошения в годы 5, 25,50, 75 и 95 % обеспеченности. Устанавливаются пики расходов в отдельные декады (месяцы) и намечаются меры по их устранению: проведение влагозарядки, заполнение прудов, изменение режимов орошения и др. При снижении пиков водопотребления в отдельные периоды повысится оросительная способность системы и эффективность орошения;

6. Для организации планового водопотребления на системах составляются расчетные графики гидромодулей - для системы, для эксплуатационных участков и для каждого хозяйства.

Графики составляются для фиктивных характерных лет 5, 25, 50, 75 и 95 % обеспеченности по недостатку водопотребления по декадам (месяцам) с учетом гидромодульного районирования.

Графики гидромодулей составляются на 5 лет для оперативного водопользования.

По расчетным графикам гидромодулей будут вестись расчеты лимитов подачи воды Q в точки выдела и на отдельные массивы, а также проводиться корректировки планов водопользования по декадам (месяцам)

(8)

где q - ординаты гидромодуля для одной из декад (месяцев) одного из характерных лет; - площади орошения; - коэффициент полезного действия сети.

По фактическому состоянию погоды или прогнозу выбирается одна из пяти ординат в зависимости от соотношений (Е-Р).

Эксплуатационная служба через каждые 5 лет должна обновлять расчетные графики гидромодулей с учетом новых климатических данных и изменившихся условий мелиоративного состояния земель. По расчетным графикам гидромодулей должны вестись расчеты лимитов подачи воды в точки выдела и на отдельные массивы, а также проводиться корректировки планов водопользования по декадам (месяцам).

По предлагаемой методике проведена оценка режимов работы Энгельсской оросительной системы за период с 1951 по 2001 гг.

Методика расчета поливного режима сельскохозяйственных культур с учетом вероятностного характера погодных условий

Составляемые заранее на весь вегетационный период внутрихозяйственные планы водопользования не могут быть реализованы, так как конкретный год, в который осуществляется орошение, никогда не совпадает ни с одним из характерных лет. Текущее планирование для характерных лет необходимо только при проектировании организации орошения на предстоящий год, для ориентации общего направления хозяйственной деятельности в типичных погодных условиях. Фактическое водопользование может проводиться только на основании оперативных планов, составляемых на предстоящую декаду. Методика составления оперативного плана такая же, как и методика составления текущего плана. Ее отличие и преимущество по сравнению с текущим планом состоит в том, что при оперативном планировании может быть реализована обратная связь, то есть учтено фактическое состояние объекта на начало планирования (влагозапасы почвы и состояние посевов сельскохозяйственных культур), что делает оперативный план гораздо более точным, чем план текущий. Однако и при составлении оперативных планов производственники сталкиваются с принципиальными трудностями, которые вызваны стохастической природой погодных условий и недостаточным развитием методов декадного метеорологического прогноза. Гидрометслужба в настоящее время дает прогнозы температуры воздуха на высоте 2 м и декадной суммы осадков.

Прогноз температуры воздуха выдается в виде среднедекадных температур с доверительным интервалом 2,5⁰С. Прогноз считается оправдавшимся, если фактическая температура попадает в доверительный интервал. По неофициальным оценкам Гидрометслужбы оправдываемость такого прогноза составляет около 0,8. Прогноз осадков выдается в виде карт, на которые наносятся изолинии отклонений величины осадков от нормы. Оправдываемость прогноза осадков ниже оправдываемости прогноза температуры.

Исходя из этого, при расчете режима орошения конкретной сельскохозяйственной культуры в конкретный год нужно принять решение о том, какой информацией следует пользоваться для расчета потребности в оросительной воде на предстоящую декаду. Здесь возможны три подхода.

Использование данных прогноза среднесуточных температур и декадных сумм осадков.

Использование метеорологической информации о среднемноголетних значениях среднесуточной температуры, сумм осадков соответствующей декады.

Выбор максимального эффекта (Э) из минимальных при различных вариантах управления (max-min Э), или, что то же самое, минимального ущерба У из максимально возможных при тех же управлениях (max-min У).

При использовании первого подхода (полное доверие прогнозу) результат получается наилучшим, его прогноз действительно оправдывается, однако, при неоправданности прогноза могут быть существенные ущербы, т.е. резкое понижение эффективности. Таким образом, использование оптимального прогноза связано с риском, степень которого трудно оценить.

При ориентации на среднемноголетние данные в большинстве случаев не обеспечивается возможность получения максимальной эффективности орошения, естественно, кроме того случая, когда конкретный год будет соответствовать или близок к среднему. Однако возможные ущербы при этом подходе, как правило, будут меньше, чем при первом подходе, так как ситуация, из которой мы исходим при принятии решений о назначении полива, меньше отклоняется от возможного реального сухого или влажного года. Поэтому риск при принятии такого осторожного решения будет меньше, чем при первом подходе.

Суть третьего подхода состоит в том, что при принятии решений мы ориентируемся на худшие из возможных погодных условий. Этот подход обычно называют методом гарантированного результата. Это означает, что при любых исходах погоды, мы не получим никогда (в пределах заданных ограничений по обеспеченности дефицита водопотребления) эффективности ниже, чем запланировали. Однако при этом теряется тот эффект, который мог бы быть получен при ориентации на среднемноголетние данные и еще больший эффект, который мог бы быть получен при ориентации на полное доверие прогнозу в случае его полной оправдываемости.

Третий подход характеризуется отсутствием риска. Для сравнения этих методов необходимо сформулировать критерий, по которому можно оценивать их эффективность.

Основной целью орошаемого земледелия является получение урожая сельскохозяйственных культур. Следовательно, казалось бы, чем выше урожай, который можно получить при орошении с использованием данного метода, тем лучше метод. Однако исследования последних лет показали, что получение высоких урожаев при орошении на черноземных и близких к ним разновидностях почв сопряжено с негативными последствиями - интенсивной сработкой запасов гумуса почвы и снижением ее плодородия. Эти последствия носят долговременный характер, являются труднообратимыми, а в определенных условиях и необратимыми. Поэтому, каждый раз при принятии решения о режиме орошения дополнительный эффект от орошения должен соизмеряться с тем ущербом, который получается в результате уменьшения содержания гумуса в почве. Процесс сработки почвенного гумуса в основном связан с температурным и влажностным режимом почв и вызывается, с одной стороны, активизацией микробиологической трансформации гуминовых веществ при повышении как температуры, так и влагосодержания почв, с другой стороны - вымывом за пределы активного слоя почвы легко растворимых гуминовых фракций с потоком инфильтрационной жидкости. В одном кубометре почвенной воды растворяется от 0,5 до 1,5 кг гумуса. Стоимость 1 кг гумуса составляет 0,5 руб. При инфильтрации 1 м³ почвенной воды ниже расчетного слоя теряется минимум 0,25 руб. за счет вымыва гумуса. Кроме того, при инфильтрации почвенной влаги происходит вымыв и других компонентов, в частности ионов Са, от которых зависят водно-физические свойства почвы, ее структура.

Известно, что интенсивность инфильтрации воды за пределы расчетного слоя существенным образом зависит от его влажности, поэтому с увеличением влажности растет инфильтрация. Зависимость инфильтрации от влажности почвы может быть рассчитана, например, по формулам Ю.Н. Никольского, А.И. Голованова и другим.

С другой стороны, с увеличением влажности в определенных пределах происходит рост урожайности. Таким образом с ростом урожая растет прибыль от его реализации и растут ущербы от ухудшения плодородия почвы. Естественно, можно предположить, что существует такой режим орошения, при котором величины выражения С - У max, т.е. можно поставить задачу об оптимизации режима орошения, где С - стоимость продукции, У - ущерб.

Учитывая, что мы рассматриваем вопрос о выборе режима орошения в условиях полной водообеспеченности, определение сроков и норм полива будет полностью зависеть от установленных пределов допустимой влажности почвы и от принятого подхода к выбору исходной погодной информации для расчета дефицита водопотребления на предстоящую декаду (для первого и второго подходов). Для третьего подхода он будет зависеть от выбора доверительного интервала по дефициту водного баланса и возможных управляющих воздействий. Для конкретизации и оценки возможностей рассмотренных методов определения оперативных планов поливного режима нами проведены сравнительные расчеты. Принята сельскохозяйственная культура люцерна, почвы темно-каштановые.

По данным Ю.Н. Никольского и В.В. Шабанова, влажность почвы, при которой получается максимальный урожай люцерны, составляет около 0,8 W_НВ, поэтому для получения максимальных урожаев необходимо поддерживать влажность почвы в пределах (0,7...0,8) W_НВ, однако такой водный режим будет сопровождаться значительными потерями от ухудшения почвенного плодородия.

В качестве второго варианта расчеты велись при изменении влажности при орошении в пределах (0,6...0,8) W_НВ. Этот режим является экологически щадящим, приводящим к меньшим потерям гумуса и кальция. В то же время он вызывает недобор урожая. Согласно фактическим наблюдениям в хозяйствах Энгельсской системы, максимальный урожай люцерны составляет порядка 10 т/га сена, эту величину мы приняли за максимальную в своих расчетах. При третьем подходе (min-max У) назначения сроков и норм полива в качестве управляющих воздействий принимались поливные нормы m = 0, 400, 600 м³/га. При каждой из этих поливных норм, планируемых на расчетную декаду, вычислялись ущербы (за счет потерь урожая в результате снижения влажности по сравнению с биологически оптимальной и за счет вымыва гумуса и кальция) при дефицитах водопотребления соответствующих влажному - 25 % обеспеченности и сухому - 75 % обеспеченности годам (по недостаткам водопотребления).

При использовании первого и второго подходов полив в расчетах назначался по достижени нижнего порога заданной влажности. Получить реальные результаты при использовании метода полного доверия прогнозу в нашем случае не представлялось возможным из-за отсутствия реальной информации о прогнозе и его реализации (год 1981 - 25 % обеспеченности). Поэтому расчет проводился по фактическим данным расчетного года, которые отождествлялись с прогнозом, т.е. предполагалось, что прогноз полностью осуществился.

Расчет по этому методу дает наилучший из возможных результатов при данной предполивной влажности.

Назначение поливов при использовании среднемноголетних данных показывает, какие потери мы несем из-за отсутствия прогноза погоды.

Пессимистический (min-max У) подход позволяет оценить, каких результатов мы можем достигнуть, не рискуя.

Расчет поливного режима люцерны для года 75 % обеспеченности (1981 года) по дефициту водного баланса (Е_о-Р) выполнен тремя способами. В расчетах учитывались вид культуры, влажность расчетного слоя почвы, величина влагообмена с нижележащими слоями почвы. Выбор варианта управления (назначения поливной нормы) проводился на основе подсчета ущерба от снижения урожайности люцерны от недополива и ущерба от вымыва гумуса, кальция, затрат на подачу воды на поле при различных уровнях влажности почвы (табл. 4).

Для расчета водного режима использовалась следующая формула

(9)

где W₂ - влажность слоя почвогрунта на конец декады;

W₁ - влажность слоя почвогрунта на начало декады,

(10)

t = 10 суток - декада; h = 1,0 м величина расчетного слоя; m₁ = 0,45 - пористость почвы; W_o = 0,15 - максимальная молекулярная влагоемкость; m - величина поливной нормы (задается); g_(w) - инфильтрация ниже метрового слоя почвы, определяется по средней влажности почвы за декаду по графику, построенному по формуле Ю.Н. Никольского; (Е-Р) - принимаются при значениях , . При расчетах по среднемноголетним данным (Е-Р) - при , а при расчетах по методу (min-max У)

...