27 февраля 2016г.
Мелиорированные ландшафты степной и сухостепной климатических зон страны занимают значительные территории, поэтому оказывают сильное влияние на окружающую природную среду. При этом отмечается не только положительный, но и отрицательный характер влияния, характеризующийся развитием процессов засоления, осолонцевания, водной эрозии и т.д. [2, 8, 9]. Поэтому весьма актуальными являются вопросы природоохранной деятельности в зоне влияния мелиоративных систем [6], объединяющей комплекс мероприятий, направленных на улучшение состояния окружающей природной среды и уменьшения негативного антропогенного воздействия.
Пути для стабилизации и улучшения экологического состояния мелиорированных земель и прилегающих территорий необходимо рассматривать по нескольким направлениям [3]: повышение эффективности использования водных ресурсов за счет совершенствования процессов управления орошением и водопользованием, достоверности и точности их информационного обеспечения; повышения технического уровня гидромелиоративных систем; разработка и реализация водосберегающих технологий и техники орошения. Таким образом, для регулирования экологических проблем мелиорируемых территорий необходимо решать комплекс задач по созданию методов и технологий планирования водопользования.
Задачи экологического характера всегда сопряжены с необходимостью учѐта большого числа факторов, что обуславливает применения современных компьютерных средств, технологий и программных продуктов. При этом особое внимание уделяется информационному обеспечению, его точности и достоверности, которые можно обеспечить только при проведении полевых экспериментов. Разработкой водосберегающих технологий орошения сельскохозяйственных культур, а также совершенствованием процессов управления орошением и водопользованием, занимаются в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте имени А.К. Кортунова под руководством доктора технических наук Ольгаренко В.И. [4, 5, 7].
Анализ научных трудов показывает, что общепринятого метода расчета суммарного водопотребления, одинакового пригодного для различных почвенно-климатических условий, не существует; для конкретных почвенно-климатических условий необходима корректировка коэффициентов расчетных методов с учетом агрометеорологической обстановки, влагообеспеченности, уровня минерального питания и биологических особенностей сельскохозяйственных культур. Корректировка методов расчета суммарного испарения позволит повысить точность его определения, следовательно, и точность нормирования орошения, что повысит эффективность использования оросительной воды.
Регулирование водного режима сводится к определению и поддержанию оптимального диапазона влагосодержания корнеобитаемого (расчетного) слоя почвы в соответствии с динамикой физиологических потребностей растений. Особенно этим вопросы необходимо решать в условиях орошения на черноземных почвах. Многие исследователи отмечают негативное воздействие нерационального орошения на экологическое состояние почв. Поэтому, общей тенденцией экологически обоснованного регулирования водного режима, в том числе и черноземных почв является поддержание диапазона увлажнения в пределах (0,6-0,8) FC т.е. требуется регулирование водного режима агроландшафтов в таком диапазоне, который обеспечиваем получение экономически оправданного уровня урожайности при минимизации потерь на инфильтрацию и сброс, максимальную замкнутость водного баланса и сохранение автоморфного режима почвообразования.
Технология регулирования водного режима включает в себя две составляющие: производственную технологию (техника и технология полива) и технологию информационного обеспечения производственного процесса, позволяющую контролировать, планировать, управлять и оптимизировать производственную технология. Поэтому, эффективность использования водных, энергетических, материально-технических ресурсов определяется соответствием режима влажности почвы требованием растений (точность управления) и качеством водораспределения, зависящим от качества технологии и техники орошения.
Процесс управления орошением представляет собой процесс обеспечения связи между управляющей и управляемой подсистемой на основе обмена информацией, в результате которого определяется величина управляющих воздействий, при регулировании водного режима – это нормы и сроки поливов.
Применение компьютерных технологий управления орошением дает возможность более точно контролировать этапы технологического процесса, организовать их информационное обеспечение и реализацию в производственных условиях. Определение режимов орошения производится на основе учета информации об агроклиматических характеристиках, влагозапасах в почве, влагообмене в зоне аэрации, величине водоподачи, агрогидрогеологических константах почвогрунтов, а также фаз развития растений.
Основной информацией для выбора решений о нормах и сроках поливов служит текущая информация о влажности почвы, которую получают на основе решения уравнения водного баланса:
WK = WH + P + M + Vgr - ET - Vf, (1)
где Р– атмосферные осадки, мм; М - поливная норма, мм; WH - влагозапасы почвы на начало расчетного периода, мм; WK - влагозапасы почвы на конец расчетного периода, мм.
Причем такие составляющие как суммарное испарение (ЕТ), величины подпитки грунтовыми водами (Vgr) инфильтрация (Vf ) определяется на основе данных агроклиматических наблюдений, расчетными методами,
Поливная норма рассчитывается по следующей формуле:
m = WFC - WKP, (2)
где WFC - влагозапасы почвы, при влажности соответствующей наименьшей влагоемкости, мм; WKP - влагозапасы почвы, соответствующие нижнему диапазону регулирования, мм.
Величина поливной нормы зависит от мощности корнеобитаемого (расчетного) слоя почвы, фазы развития растений, климатических факторов, принятого диапазона допустимого колебания влагозапасов.
В случае принятия диапазона колебания от 0,7 WFC до 0,9 WFC:
mH = 0,9 WFC - 0,7 WFC, (3)
В случае принятия диапазона колебания влагозапасов почвы от 0,6 WFC ДО 0,8 WFC:
m = 0,8 WFC - 0,6 WFС , (4)
В случае принятия диапазона колебаний влагозапасов почвы от 0,8 WFC ДО WFC:
m = W FC - 0,8 WFC , (5)
В общем случае величина поливной нормы определяется по уравнению А.Н. Костякова:
m = 10g×h×(ωFC - ωKP ) , (6)
где g- объемная масса расчетного слоя почвы, т/м3; h - глубина расчетного слоя, м; ωFC , ωKP - влажность почвы в %, соответствующая наименьшей влагоемкости и нижнему диапазону регулирования.
При расчете поливной нормы необходимо знать мощность расчетного (деятельного) слоя почвы. Глубина расчетного слоя под различными сельскохозяйственными культурами, для которых определяется влажность почвы, и вычисляются нормы полива, в зависимости от фазы развития растений и характера почвогрунтов может быть определена по Табл.1.
Изменение активного слоя почвы в течении вегетации
Таблица 1
|
Культуры
|
Номер декады отначала вегетации
|
|
0 - 2
|
3 - 4
|
5 - 8
|
9 - 10
|
11 - 14
|
|
Капуста
|
0,30
|
0,40
|
0,55
|
0,60
|
0,60
|
Сроки полива определяют исходя из следующих соображений: в процессе взаимодействия составляющих факторов уравнения водного баланса, происходит изменение влагозапасов в корнеобитаемом слое почвы, которое на любой момент времени равно интегральной сумме этих составляющих.
Определение сроков полива сводится к вычислению результирующей водного баланса за заданный интервал времени (пятидневка, декада), суммированием этих значений нарастающим итогом, пока не будет достигнуто условие: WK =WKP.
Атмосферные осадки (Р) измеряются с помощью осадкомеров Третьякова и почвенных дождемеров, располагаемых на каждом поле.
Величина поливной нормы (m) измеряется по водомерным устройствам поливной техники, либо при помощи дождемерных стаканов.
Суммарное испарение определяется по уравнению:
где А1, А2, А3 - комплексные переменные, отражающие влияние климатических условий, влажности почвы и биологических особенностей растений; a0, a1, a2 - параметры, отражающие влияние биологических особенностей растений.
Величина испаряемости (Еw) определяется по данным испарометра ГГИ-3000, устанавливаемого на каждом севооборотном участке. При отсутствии испарометров, Еw может быть определена по региональным зависимостям, полученным автором в результате расчетов по данным метеостанций Ростовской области.
Еw = А (dj)вт (11)
где dj - дефицит влажности воздуха, мб; Т - температура воздуха, °С; А, В - эмпирические параметры.
Для расчета величин расхода грунтовых вод в зону аэрации используется уточненная автором формула Харченко С.И. [10]:
Vgr= Ew / eрH
где Еw - испаряемость, мм; р - параметр, для данного типа почв, зависящий от фазы развития растений; Н- глубина залегания грунтовых вод, м.
Значения параметров А, В
Таблица 2
|
Метеостанции
|
показатели
|
|
А
|
В
|
|
Семикаракорск
|
1,675
|
0,026
|
|
Ростов
|
1,593
|
0,017
|
|
Веселый
|
1,912
|
0,013
|
|
Цимлянск
|
2,170
|
0,0172
|
Глубина залегания грунтовых вод устанавливается по смотровым гидрогеологическим скважинам, оборудованным на каждом сельскохозяйственном поле, для которого рассчитывается поливной режим [1].
Изменение параметра «р» в течение вегетации (по данным автора)
Таблица 3
|
Культура
|
Сумма активных температур (°С)
|
|
0-400
|
400-800
|
800-1200
|
1200-
1600
|
1600-
2000
|
2000-
2400
|
2400-
2800
|
2800-
3000
|
|
Капуста
|
1,2
|
1,0
|
0,9
|
0,8
|
0,7
|
0,9
|
1,0
|
1,2
|
Величина пополнения грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и оросительных вод определяется по региональному уравнению (Ольгаренко Г.В.) [3]:
где m+Р – водоподача, складывающая из поливной нормы и осадков за расчетный период, мм/сут; ω, ωFC – фактическая влажность почвы и влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости, мм; Н – глубина залегания уровня грунтовых вод, м; Еω – испаряемость, мм.
Чтобы избежать чрезмерного накопления ошибки, рекомендуется периодически корректировать величину ET, W путем ее сравнения с фактическими данными измерения на обслуживаемом поле. Такие измерения целесообразно проводить 1-2 раза за вегетацию.
Необходимые для расчета испаряемости данные по температуре и влажности воздуха считаются репрезентативными для полей, удаленных от метеостанции, если разница в значениях для поля и метеостанции, не превышают соответственно ± 1,5 C и ± 3,0 мб. За начало вегетационного периода принимается дата перехода среднесуточных температур воздуха через 50С.
При достаточных ресурсах информационно-советующая система ориентирует производственный процесс на регулирование запаса влаги в почве в пределах оптимального диапазона, обеспечивающего максимальную в конкретных природных и агротехнических условиях отдачу от орошения, минимизацию потерь воды. Использование предложенного подхода в процессе управления орошением и водопользованием позволит снизить негативное воздействие оросительной воды на экологическое состояние почв мелиоративных ландшафтов.
Список литературы
1. Временные методические указания воднобалансовым станциям на мелиорируемых землях по производству наблюдений и обработке материалов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 - 296 с.
2. Ольгаренко В.И., Ольгаренко И.В. Экологически устойчивые мелиоративные системы // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2009. № 21. С. 204-207.
3. Ольгаренко В.И., Ольгаренко И.В., Ткачева О.А., Ольгаренко Г.В., Капустина Т.А., Тарасенко Е.И., Волошков В.М., Назаренко В.А., Докучаев В.А. Временные рекомендации по составлению и реализации планов водопользования на оросительных системах Ростовской области. - Коломна, 2009. – 104 с.
4. Ольгаренко И.В. Прогноз и оперативное планирование дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на обыкновенных черноземах Ростовской области: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Волгоград, 2003. – 180 с.
5. Ткачева О.А. Дифференцированные режимы орошения и нормы удобрений капусты на обыкновенных черноземах Ростовской области: диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. Новочеркасск, 2001. – 150 с.
6. Ткачева О.А. Охрана земель в зоне влияния мелиоративных систем // Вестник Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского Политехнического Института). Серия: Социально-экономические науки. 2014. № 1. С. 138-142.
7. Ткачева О.А., Большакова Е.А. Водопотребление перца сладкого на орошаемых чернозѐмах // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. № 4. С. 34-35.
8. Ткачева О.А., Мещанинова Е.Г. Эколого-экономические аспекты устойчивости сельскохозяйственного землепользования // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2013. № 1 (09). С. 169-181.
9. Ткачева О.А., Мещанинова Е.Г., Кулиш Л.П. Экологические аспекты развития мелиорируемых земель // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2009. № 21. С. 156-158.
10. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 372 с.
