Проблема рационального использования водных ресурсов актуальна во всем мире, и особенно в тех странах и регионах, где имеется дефицит с потреблением пресной воды.

Автономная Республика Крым по количеству местных водных ресурсов относится к наименее обеспеченным регионам России. Ее водными ресурсами являются реки, водохранилища, подземные воды. Для Крыма проблема недостатка пресной воды всегда была актуальной из-за засушливого климата и особенностей развития речной сети [1].

С вступлением Крымской автономной республики в состав Российской Федерации и перекрытием Украиной Северо-Крымского магистрального канала дефицит пресной воды еще сильнее увеличился, и в республике возникла проблема с выращиванием сельскохозяйственных продовольственных культур в нужном количестве, и в частности риса.

В связи с этим возникла необходимость в повышении рациональности использования водных ресурсов Крыма для целей мелиорации. Цель работы состоит в разработке рекомендаций по повышению рационального использования водных ресурсов Крыма в мелиорации.

Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие основные задачи:

- для сельскохозяйственного использования выявить дополнительные орошаемые площади в поймах рек, в зонах сбросных вод в периоды ливневых дождей, шоссейных дорог и пр.;

- изыскать возможности для создания участков комбинированного орошения, использующих комплексно местный сток, сбросные воды из магистральных каналов и с участков поверхностного орошения и попуски оросительной воды из каналов в межполивные и вневегетационные периоды, применяя технологию лиманного орошения;

- для повышения коэффициента полезного действия (КПД) каналов, сокращения потерь воды на фильтрацию, испарение, зарастания русел и их заиления перейти на закрытую систему оросительных сетей с поливом сельскохозяйственных культур с помощью дождевания, распыления струи воды до аэрозольного состояния, капельного орошения.

Материалы и методы. В качестве материалов использованы данные литературных источников, натурные данные некоторых авторов и др. Для выполнения поставленных задач применены аналитический, специальные методы и метод статистической обработки данных.

Так как Северо-Крымский канал перекрыт, рациональное использование местных водных объектов, помимо целей орошения, является основной задачей каждого жителя полуострова. К водным ресурсам полуострова относятся реки, озера, водохранилища, пруды, наполняемые естественным стоком, а также родники. В таблице 1 приведена информация о водопользовании по основным рекам отдельных территорий Крыма за 2015 г.

Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что объемы воды, забранной из источников (рек), использованы на орошение в 3 раза меньше, чем произошла ее потеря на фильтрацию, испарение и другие виды утечек при транспортировке.

Таблица 1. Информация о водопользовании по основным рекам отдельных территорий за 2015 г. (источник - форма 2-ТП (водхоз) за 2015 г.), в млн м³

Данные цифры свидетельствуют о том, что эти потери необходимо предотвратить, проведя своевременные мероприятия по усовершенствованию оросительных каналов и гидротехнических сооружений на них. водный мелиорация крым орошение

В Крыму площади, охваченные водными мелиорациями, постоянно увеличиваются. Это ведет к значительному увеличению потребления водных ресурсов. При освоении новых сельскохозяйственных угодий орошение часто сдерживается дефицитом водных ресурсов [2].

Для рационального использования водных ресурсов Крыма для целей мелиорации является правильным выбор и рациональное применение различных способов полива сельскохозяйственных угодий. За два последних десятилетия в хозяйствах Крыма до 75 % возросли площади полива методом дождевания, что привело к снижению оросительных норм на 25-30 %. В последние годы появились более прогрессивные способы полива: капельное и аэрозольное, обеспечивающее до 50 % экономии воды [3-8].

В таблице 2 приводятся сведения о значительном уменьшении забора воды из природных водных ресурсов и негативных воздействиях на водные ресурсы Автономной Республики Крым и г. Севастополя за период 1990-2012 гг.

Таблица 2. Водопользование и негативное воздействие на водные ресурсы [9-12], в млн м³

Данные таблицы 2 показывают, что за 22-летний период забор воды из природных источников уменьшился с 3734 млн м³ в 1990 г. до 1625 млн м³ в 2012 г. и на орошение затраты воды по Республике Крым снизились с 2097 млн м³ в 1990 г. до 503 млн м³ в 2010 г.

Следует отметить, что такая идея ограниченного сбережения вод для орошения в Крыму была реализована в экологически неприемлемой форме. Во-первых, уменьшение объемов подаваемой воды не сопровождалось адекватными усилиями по техническому оснащению Северо-Крымского канала и очистке воды. Во-вторых, не была внедрена технология поливов с водосбережением - потери воды составили примерно 50 %.

За этот период почти в 2 раза сократилось оборотное и повторное (последовательное) использование воды (с 661 до 393 млн м³). Если в Республике Крым сброс загрязняющих сточных вод остался на уровне 1990 г. (притом, что значительно сократилось промышленное производство и забор воды), то в г. Севастополе сброс загрязненных сточных вод вырос почти в 5 раз [1, 9, 10].

Чтобы повысить урожайность от использования того количества воды, которое имеется сейчас в Крыму, с целью экономного и рационального расходования пресной воды необходимо внедрение капельного орошения. Для более широкого использования рек Крымского полуострова, на наш взгляд, следует осуществить внедрение закрытых (с применением полиэтиленовых труб) деривационных систем в предгорной зоне Крыма с использованием дождевального и мелкодисперсного орошения.

Для этой цели подходят горные реки полуострова, и в частности р. Салгир (рисунок 1).

Воды р. Салгир, как самой длинной на полуострове, а также ее притоков имеют большое хозяйственно-питьевое и сельскохозяйственное значение. Бассейн р. Салгир занимает 14 % площади полуострова. Кроме того, в бассейне Салгира находятся элементы оросительных систем и водохозяйственного комплекса Северо-Крымского канала, в настоящее время они используются для переброски вод в восточную часть полуострова. Река Салгир является одним из немногих местных источников качественной воды в засушливом Крыму. Поэтому существует достаточно жесткая конкуренция между разными водопользователями (жилищно-коммунальным хозяйством, сельским хозяйством, промышленностью). Они потребляют значительную часть этого ресурса. Такая большая нагрузка создает необходимость комплексного подхода к потреблению водных ресурсов р. Салгир и защите их от загрязнения и истощения [1-4].

Рисунок 1. Крупные реки полуострова Крым

Город Симферополь является самым мощным загрязнителем вод р. Салгир. С его очистных сооружений ежегодно сбрасывается около 40-45 млн м³ сточных вод, что составляет около 35-40 % от их общего сброса в природные водные объекты полуострова [1, 3]. Источники, формирующие воды р. Салгир, находятся в Крымских горах, которые сложены в основном карстующимися известняками. Вода, проходя через карстовые породы, обогащается карбонатами и гидрокарбонатами [1, 4]. Это также способствует быстрой инфильтрации загрязненных поверхностных вод (при хозяйственной деятельности человека в местах формирования водных ресурсов полуострова - поверхностных и подземных) и попаданию их в реки, водохранилища, подземные водоносные горизонты.

Согласно Н. М. Иванютину, С. В. Подоваловой и др. [1, 5] вода, используемая в системах внутрипочвенного орошения, должна иметь минерализацию не более 1,0 г/дм³. Особо стоит отметить, что вода с показателем минерализации 5,0 г/дм³ (предельная норма) может использоваться только в виде исключения при наличии хорошего дренажа и применении поливов промывного типа. По результатам лабораторных анализов, по степени минерализации вода р. Салгир пригодна для целей орошения [1].

В литературных источниках [1-20] приведены сведения, затрагивающие в той или иной степени вопросы дефицита пресной воды в Автономной Республике Крым, и высказываются мнения о рациональности использования водных ресурсов Крыма для целей мелиорации.

В настоящий момент Крымский полуостров не может рассчитывать на днепровскую воду из Северо-Крымского канала. Чтобы уменьшить дефицит пресной воды и повысить обеспеченность аграрного сектора Республики Крым водой, Н. Е. Волкова и др. [2], А. М. Джапарова [12], О. В. Мосин [13] и В. И. Ляшевский [14] в качестве альтернативного решения предлагают опреснять морскую воду. Н. Е. Волкова отмечает: «Состояние поверхностных и подземных источников в Крыму по токсикологическим, общесанитарным и органолептическим показателям ухудшается, поэтому очистка и предподготовка обходится не намного дороже, чем опреснение морской воды».

На данный момент ни один из методов опреснения при получении питьевой или технической воды не является универсальным, ресурсосберегающим. В случае отсутствия близлежащих запасов пресной воды альтернативы опреснению нет, поскольку транспортировка пресной воды из естественного источника, удаленного более чем на 160 км, оказывается дешевле опреснения только при водопотреблении до 11 тыс. м³/сут [2]. Опреснение морской воды предполагает строительство установок рядом с водоемом, так как эксплуатация вдали от источника приводит к повышению себестоимости воды. «Нигде на территории Крыма проблема опреснения морской воды в промышленных масштабах на сегодняшний момент не была решена. Проблемами строительства опреснительных установок в Крыму становятся энергоснабжение (строительство электростанции) и забор воды. В зависимости от выбора типа электростанции (тепловой, солнечной, газовой или атомной) возникают различные вопросы, как технологического характера, так и связанные с защитой окружающей среды» [2].

В отчетах по вопросам управления поверхностными водными ресурсами в Республике Крым и г. Севастополе, их использования и воспроизводства за 2004-2015 гг. [11] приведена динамика забора воды по основным источникам за период с 2006 по 2015 г. (таблица 3).

По данным таблицы 3 была построена диаграмма забора воды из основных источников (рисунок 2).

Таблица 3. Динамика забора воды в Республике Крым (без г. Севастополя), в млн м³

Рисунок 2. Диаграмма забора воды из основных природных источников по Республике Крым

Данные диаграммы показывают, что до 2014 г. ежегодный забор поверхностных вод имел почти стабильные объемы. В 2014 и 2015 гг. этот объем резко сократился, составив всего 15 % от максимального забора в 2012 г. Эта ситуация объясняется перекрытием доступа днепровской воды в Северо-Крымский канал и менее интенсивным использованием местного стока.

В 2015 г. объем опресненной морской воды (по сравнению с максимальным забором в 2010 г.) увеличился в 4,2 раза. Эта вода используется в основном в промышленности и коммунальном хозяйстве Крыма. Негативная сторона опреснения морской воды состоит в том, что вода, сбрасываемая заводами по опреснению, содержит много соли и при сбросе в приморские районы может нанести непоправимый вред природе.

Одной из причин, способствующих возникновению дефицита водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных культур, является их нерациональное использование.

Отсутствие современных средств учета воды, равно как и несоблюдение утвержденных поливных норм, приводит к перерасходу воды, переполнению водоотводной сети и в некоторых случаях к ухудшению мелиоративного состояния оросительной системы и прилегающих неорошаемых земель и, как следствие, дефициту воды в их источниках [15].

Вопросы по необходимому обеспечению водой орошаемых земель Крымского региона рассматриваются в работах Г. А. Сенчукова [16], В. И. Ляшевского [17], Н. Е. Волковой [18]. Ими проведен анализ возможностей существующего водохозяйственного комплекса Крыма для нужд орошения сельскохозяйственных культур и отмечены перспективы обеспечения водой сельскохозяйственной отрасли Республики Крым.

Ранее дефицит водных ресурсов Крыма восполнялся за счет подачи днепровской воды по Северо-Крымскому каналу (таблица 4). Потребности населения и отраслей экономики в воде в 2001 г. составили до 1,66 км³, они удовлетворялись водозабором из пресных поверхностных источников на 80,4 % (в т. ч. из Северо-Крымского канала - 72,9 %, подземных горизонтов - 6,5 %, моря - 0,5 %) и за счет привлечения воды в оборотные системы водоснабжения на 12,5 % [16].

Таблица 4. Анализ объемов орошаемых земель Крыма по годам [16], в га

В Крыму ежедневно в канализацию сливается 600 тыс. м³ загрязненных вод, которые после очистки и дезинфекции можно использовать для орошения сельскохозяйственных культур [18, 19]. Р. Ю. Захаров [19] предлагает использовать очищенные сточные воды в качестве альтернативного источника наполнения прудов Республики Крым.

Н. М. Иванютин [20] предлагает использовать в более широких масштабах подземные воды Крыма. При этом он приводит некоторые проблемы применения подземных вод и перспективы их использования.

Результаты и их обсуждение. Приведенные материалы по литературным источникам и исследованиям, приведенным в них, дают возможность получить некоторые результаты, предназначенные к обсуждению.

1 Горные реки Республики Крым не так уж многоводны, чтобы их воду использовать и в целях водоснабжения, и в целях орошения площадей для выращивания сельскохозяйственных культур. Русла многих рек (особенно коротких) в летний период пересыхают. Зато во время выпадения дождей они наполняются до краев, и даже их русла переполняются водой. Чтобы исключить потери этих вод на фильтрацию, есть два выхода:

- в устье каждой короткой реки применить орошение из одиночных лиманов или ярусных систем из группы лиманов (все зависит от площадей речных пойм);

- провести зарегулирование устьев в одно русло, способное пропустить большие расходы воды при ее транспортировке, для наполнения бассейна суточного или сезонного регулирования (БСР) с целью дальнейшего использования этой воды для орошения мелиорируемых земель.

2 Артезианские воды следует использовать только в целях водоснабжения населения. Использование этих вод в других областях народного хозяйства может вызвать дефицит подземной воды. Пополнение путем фильтрующихся вод из Азовского и Черного морей приведет к засолению.

3 Опресненная морская вода может быть использована в различных отраслях народного хозяйства, а соль, являющаяся отходом данного производства, после соответствующей обработки пригодна для розничной торговли.

При наличии исходных данных производится проектирование лиманного орошения по расчетным формулам мелкоярусных лиманов.

Зарегулирование устьев коротких рек в одно русло целесообразно выполнить с помощью полиэтиленовых труб, трассы которых сходятся в проектируемый БСР. Пропуск воды по трубам исключает потерю воды на фильтрацию и испарение, а БСР позволяет подавать воду к потребителям без перебоев. Сам бассейн пополняется периодически от дождевых стоков (летом и осенью) и от стоков талых вод (весной).

Для расчета трубопроводов необходимо (в качестве исходных данных) иметь расчетный расход в устье реки, уклон дна трубопровода, допускаемую среднюю скорость в живом сечении трубы.

Одним из современных и инновационных методов, повышающих рациональность водопользования, является водохозяйственное моделирование, которое позволяет решать весь спектр водохозяйственных задач путем создания имитационной модели на основе применения водобалансовых методов, в т. ч.:

- комплексно анализировать обеспечение водой в рамках как всего водного бассейна, так и его отдельных частей;

- производить учет отраслевого промышленного и сельскохозяйственного водопотребления, режимов эксплуатации водохранилищ многоцелевого назначения;

- проводить водохозяйственное обоснование схем водоотведения, переброски стока и т. д.

Водохозяйственные модели помогают в принятии обоснованных управленческих решений в условиях сезонного или кратковременного дефицита водных ресурсов.

Задание параметров и изменение характеристик водопотребления осуществляются с помощью специально разработанного программного инструментария. Модельная система функционирует на основе цифровой схемы оросительной сети, создаваемой в режиме экранного редактирования в оболочке географической базы данных [21].

Для водохозяйственной модели основными исходными данными является описание параметров и свойств различных элементов, которые относятся к водохозяйственному расчету, это речная сеть, водосбор, водопользователи, водохранилища [22].

Водопользователи в модели бывают следующих типов:

- регулярные водопотребители. Их водопотребление задается графиком водопотребления (т. е. файлом с временным рядом);

- ирригационные системы. Их водопотребление рассчитывается на основе характеристик сельскохозяйственных культур и соответствующей климатической модели [23].

Основными входными данными для водохозяйственной модели являются различные временные ряды (например, многолетние гидрологические ряды). Дополнительные данные описывают характеристики водохранилищ и правила управления, метеорологические данные, параметры потребности в воде или параметры систем орошения. Также задаются данные по гидравлическим условиям в реках и каналах, параметры грунтовых вод и др.

Результаты расчета в водохозяйственной модели представляются в виде графиков (временных рядов) для различных элементов речной сети. Одним из примеров использования таких моделей в мелиоративном комплексе является созданная в 2016 г. в лицензионном программном комплексе MIKE HYDRO Basin водохозяйственная модель для трех хозяйств-водопользователей (СПК «Луч», ОАО «Цимлянский», ООО «Аргамак»), расположенных в границах командования межхозяйственного распределителя ПР 1 (Пролетарская оросительная система) (рисунок 3).

Рисунок 3. Результаты водохозяйственного моделирования (расход стока к водопотребителю в узлах)

На рисунке 3 представлен график расхода, который формируется в узловых точках для каждого водопотребителя. Наибольшим по расходу является первый месяц, т. к. происходит заполнение рисовых чеков, далее расход заметно снижается и небольшое увеличение наблюдается в третий месяц орошения.