Мелиоративная гидрология: учебное пособие 9786012475340

Citation preview

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ-ФАРАБИ

М.Х. Сарсенбаев

МЕЛИОРАТИВНАЯ ГИДРОЛОГИЯ Учебное пособие

Алматы «Қазақ университеті» 2013

УДК 556 ББК 26.22 С 22 Рекомендовано к изданию Ученым советом факультета географии и природоведения, РИСО и Учебно-методической секцией по гуманитарным и естественнонаучным специальностям РУМС МОН РК КазНУ им. аль-Фараби (протокол №2 от 8 июня 2012 г.)

Рецензенты: доктор технических наук, профессор М.Ж. Бурлибаев доктор географических наук, профессор Ж.Д. Достай кандидат географических наук, доцент М.М. Молдахметов

С 22

Сарсенбаев М.Х. Мелиоративная гидрология: учебное пособие. – Алматы: Қазақ университеті, 2013. – 82 с. ISBN 978–601–247–534–0 В работе рассмотрены некоторые наиболее важные проблемы, встречающиеся при проектировании и эксплуатации мелиоративных систем. Здесь рассмотрены история ирригации и эффективность орошаемого земледелия, теоретическое обоснование рационального природопользования при орошении, современные методы расчета водного, теплового и водно-солевого балансов с учетом взаимосвязи с грунтовыми водами, водопотребления и его дефицита для сельскохозяйственных культур, возвратного стока, оросительных норм и режима орошения. Рассчитана для гидрологов, метеорологов, географов, экологов, мелиораторов, а также студентов бакалавриата, магистратуры и докторантов соответствующих специальностей. Предназначено для бакалавров экономических специальностей. УДК 338(574) ББК 26.22 © Сарсенбаев М.Х., 2013 © КазНУ им. аль-Фараби, 2013

ISBN 978–601–247–534–0

2

ВВЕДЕНИЕ Мелиорация (от латинского «melioratio» – улучшение) – система организационно-хозяйственных и технических мероприятий по коренному преобразованию неблагоприятных гидрологических, почвенных и др. условий земель с целью наиболее эффективного их использования. По видам мелиорации подразделяются на орошение (ирригация), осушение (водоотведение), агролесо и химические мелиорации. Оросительные и осушительные мелиорации, с одной стороны, вносят существенные, в сравнении с естественным состоянием, изменения в структуру и соотношения элементов водного баланса мелиорируемых и прилегающих к ним территорий, в гидрологический режим и водный ресурсы водотоков. Например, проектирование, строительство и эксплуатация оросительных систем без всестороннего учета природных условий мелиорируемых земель приводят, как правило, к формированию неблагоприятного водного баланса: быстрому подъему уровня грунтовых вод, вызывающему заболачивание и вторичное засоление корнеобитаемого слоя почвы. Эти процессы способствуют к потере плодородия почвы, значительному снижению урожаев сельскохозяйственных культур, а также сокращению и даже полному выпадению земель из севооборота, что связано с резким гидролого-экологическим ухудшением агроландшафтов. С другой стороны, интенсивное развитие орошаемого земледелия во второй половине ХХ столетия повлекло за собой возрастание объема безвозвратных потерь воды и в ряде случаев значительное снижение стока, а также повышение минерализации речных вод. Это породило ряд крупных проблем, связанных с водообеспечением низовий рек. Яркий пример тому – глобальная трагедия Арала.

3

Гидрологические проблемы мелиорируемых земель заклюючаются в обеспечении оптимального использования водных и земельных ресурсов, в комплексной оценке перспективы изменения гидрологического режима, количества и качества водных ресурсов. Изучением этих проблем, а также разработкой новых подходов и методов гидрологического обоснования мелиораций занимается сравнительно новое направление гидрологической науки – мелиоративная гидрология. В настоящее время разработка методов прогноза изменения стока реки и качества водных ресурсов под воздействием изъятия воды при орошении или водоотведения при осушении является важной проблемой современной гидрологии. Особенно это актуально для Казахстана, где основные орошаемые массивы расположены в низовьях трансграничных рек Сырдария, Иле, Шу, Талас и др., т.е. в регионах острого дефицита речной воды. Для решения указанных проблем необходимо прежде всего изучение водного, теплового и солевого баланса и тепло-, влаго, солеобмена в зоне аэрации на мелиорируемых землях. Эти исследования должны быть комплексными, поскольку объектом изучения является сложная система растения – почва – вода – атмосфера. Цель данной работы – обобщить теоретические и практические исследования, проводимые в странах ближнего и дальнего зарубежья, включая и собственные исследования автора, и изданные в отдельных монографиях, научных статьях и других трудах разрозненность которых затрудняет использование их в учебном процессе. Значительное внимание в работе уделено изложению принципов расчета основных элементов водного, теплового и солевого балансов, а также методов проведения экспериментальных полевых работ. Автор выражает признательность д.т.н., профессору М.Ж. Бурлибаеву за внимательный просмотр рукописи и замечания. Кроме того автор благодарен к.г.н., доценту кафедры метеорологии и гидрологии Л.К. Махмудовой и преподавателю Ж.А. Жанабаевой за помощь в подготовке данной работы к изданию. 4

1. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕЛИОРАЦИЙ 1.1 Общие сведения Гидромелиорации изменяют водный, тепловой, воздушный, микробиологический и питательный режимы почвенного слоя и оказывают действенное влияние на происходящие в нем процессы. Под режимом гидромелиораций понимают установление и распределение в течение вегетационного периода количества воды, необходимого для поддержания в почве оптимальных водно-воздушных и тепловых условий, которые благоприятны для роста и развития растений и гарантируют повышение урожая сельскохозяйственных культур. Соотношение между фактическими и оптимальными количествами почвенной влаги при естественных теплоресурсах являются мерой влагообеспеченности растений. Различают следующие режимы гидромелиораций: 1) проектный, характеризующий учет влагообеспеченности сельскохозяйственных культур в средний многолетний или характерные по увлажнению годы и предназначенный для проектирования на его основе оросительных и осушительных систем; 2) эксплуатационный, характеризующий учет конкретно складывающихся погодных условий, состояния культуры, запасов почвенной влаги и предназначенный и для оперативного и сезонного планирования водопользования, поддержания необходимой влагообеспеченности растений. В настоящее время существуют два подхода к определению размеров мелиораций: 1) для оросительных мелиораций – расчетным показателем является количество недостающей до оптимума влаги; 2) для осушительных мелиораций – необходимая 5

глубина понижения грунтовых вод, а также объем и интенсивность отведения избыточного количества поверхностных вод. Вместе с тем, не во всех географических зонах имеется четкое разграничение видов необходимых мелиораций. Например, в зоне недостаточного увлажнения, где применяют оросительные мелиорации и где часто возникают процессы засоления и заболачивания земель, а в отдельные годы или периоды наблюдается избыток влаги. И наоборот, в зоне избыточного увлажнения – недостаток влаги. Поэтому еще в 70-х годах прошлого столетия в республиках Прибалтики, Белоруссии, а затем в районах избыточного увлажнения России стали производить осушительно-увлажнительные мелиорации, т.е. создавать гидромелиоративные системы двухстороннего регулирования влаги в почве, позволяющие производит как осушение земель, так и орошение. Основное преимущество осушительно-увлажнительных систем заключается в том, что они резко сокращают объемы сбрасываемого дренажного стока. В отдельных случаях можно добиться полного прекращения сброса воды. Следовательно, мелиоративные системы двойного действия работают по оборотной схеме, обеспечивая круговорот воды. Они успешно практикуются в зоне избыточного увлажнения земель, но в орошаемой зоне они не распространены. В ХХ веке осушительноувлажнительные системы начнут широко применяться и в аридной зоне из-за возрастания дефицита поливной воды и ужесточения экологических требований к хозяйственной деятельности человека. Создание систем двухстороннего регулирования потребовало разработки единых принципов и методов установления режимов мелиораций различных видов. С.И. Харченко (1975, 1981) предложил обобщенную модель режима орошения и осушения, учитывающую факторы теплового, водного и питательного режима почвы для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и удовлетворяющую требования охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения. Аналогичные исследования в этом направлении проводили В.С. Мезенцев (1974, 1982) и их последователи. 6

Природная среда, в частности речные воды, находится под постоянными и возрастающими влиянием мелиоративных мероприятий, которые приводят к снижению поверхностного стока, росту минерализации и загрязненности вод. В ряде зарубежных стран, включая и Казахстан, эти явления приобрели угрожающий характер, для устранения которых необходимо повышение уровня гидрологического обоснования мелиоративных мероприятий. По существу здесь речь идет об организации информационного мониторинга водных ресурсов на мелиорируемых землях. Поэтому мелиоративная гидрология, занимающаяся этой проблемой, органично входит в состав экологии – науки о рациональном природопользовании. 1.2 Рациональное природопользования при гидромелиорациях Под термином «природопользование» Н.Ф. Реймерс (1990) понимает совокупность всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мер по его сохранению. При гидромелиорациях это водоотведение, изъятие и перераспределение речного стока, что влекут за собой быстрое преобразование всех компонентов физико-географической среды: почвы, растительного и животного мира, микроклимата водных ресурсов и т.д. Существенно изменяются также социально-экономическое условия жизни населения. Теоретической основой природопользования может служить учение о биосфере В.И. Вернадского (1926), и, в частности, введено им понятие биогеохимических циклов. Необходимость целенаправленного регулирования геологического и биологического круговоротов веществ отмечали А.Н. Костяков (1960) и В.А. Ковда (1973). В последующем А.М. Алпатьев (1969), С.И. Харченко (1967), Мезенцев (1974), И.П. Айдаров (1985), а также ряд казахстанских ученых А.Г. Рау (1987), М.Г. Баженов (1992), Ж.С. Мустафаев (1997), С.И. Кошкаров (1991), М.Х. Сарсенбаев (2001) и др. разрабатывали технологии регулирования потоков вещества и энергии на мелиорируемых землях. Весьма важным и перспективным для гидроэкологии является учение Ю.А. Израэля (1984) о всестороннем анализе и мони7

торинге окружающей среды. В его классификации даны понятия: допустимые и критические для экосистемы антропогенные воздействия; интервал допустимых состояний экосистемы; биологическая устойчивость экосистем и др. Применительно к гидромелиорациям под допустимым антропогенным воздействием на природную среду можно считать такое ее преобразование, которое укладывается в допустимые пределы изменения всех компонентов географической среды на территории всего речного бассейна. Чтобы количественно оценить степень изменения природы, необходимо установить параметры ее первоначального состояния и определить пространственные границы зон влияния орошения, а также интервалы времени, в течении которых происходят те или иные изменения. Базовыми показателями рациональности использования природных ресурсов согласно А.М. Алпатьева (1983), являются критерии: 1) мера допустимого изъятия природного ресурса; 2) мера допустимого загрязнения; 3) мера техногенного загрязнения. Применительно к мелиорируемым агроландшафтам мера изъятия природного ресурса выражается в регулировании объемов водозабора из источников орошения, в недопущении больших объемов дренажного стока и в исключении однообразных ландшафтов: хлопковых, рисовых и т.п. При этом критерий допустимого изъятия воды относится к речному бассейну в целом, а не к отдельным орошаемым массивам. Допустимое загрязнение речных вод может быть обеспечено созданием безотходных технологий на основе оборотного использования воды. Уровень техногенного насыщения определяется соотношением площади лесов, пашни, лугов, водоемов, используемых земель, населенных пунктов и инженерных коммуникаций. Согласно мнению Ю. Одума (1975) «...усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью общества должно стать возвращение веществ в круговорот. Начать можно было бы с воды, так как, если мы научимся восстанавливать и поддерживать круговорот воды, мы сумеем взять под контроль и те элементы питания, которые движутся вместе с водой». Данное заключение имеет непосредственное отношение к гидромелиорациям. Вода выполняет 8

двоякую роль, одновременно являясь и энергетической субстанцией, и циркулирующим веществом. В мелиорируемых агроландшафтах образуется особый круговорот воды и веществ, так называемый гидромелиоративный круговорот, который приводит к коренной трансформации природных процессов и образованию новых агроэкосистем. В современных условиях под влиянием хозяйственной деятельности происходит и, видимо, будет происходить еще в большой мере изменение окружающей природной среды и прежде всего водных ресурсов и качества вод. Поэтому разработка системы мониторинга водных ресурсов применительно к мелиорируемым землям является актуальной задачей в решении рационального природопользования. Мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды. Мониторинг является многоцелевой информационной системой. В его задачу входят также определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия, их взаимосвязи. Информационный мониторинг водных ресурсов на мелиорируемых землях является системой удовлетворения разнообразных информационных запросов в области изучения, оценки, нормирования и прогноза будущего состояния водных ресурсов. В практике гидромелиоративных исследований выделяют следующие подсистемы мониторинга: 1) наблюдения за режимом стока и учет водных ресурсов; 2) оценка состояния водных ресурсов; 3) обоснование проектов использования водных ресурсов и нормирование водопотребления и водоотведения; 4) управление водными ресурсами, рациональное использование и охрана их от истощения и загрязнения; 5) прогноз изменения количественных и качественных характеристик водных ресурсов, корректировка мероприятий по их использованию. Для соблюдения соответствия между системой мониторинга и комплексом стратегии регулирования водных ресурсов необходимо иметь четкое представление о существе процессов, которые следует регулировать, и иметь сведения о характере и средствах, предназначенных как для воздействия на природную среду, так и для ее регулирования. 9

1.3 Опыт ирригации и эффективность гидромелиорации История развития мелиорации земель, проводимых человеком с целью получения гарантированных и высоких урожаев сельскохозяйственных культур, как известно, начинается с орошения и исчисляется не одним десятком тысячелетий. За это время общая площадь мелиорируемых земель непрерывно увеличивалась. Освоение новых территорий производилось как для увеличения объемов сельскохозяйственных продукции, так и для компенсации выбывших из оборота орошаемых или осушаемых плантаций из-за утери плодородия почвы (например, засоление) или по другим причинами. Сегодня выделяют несколько стадий развития ирригации: примитивное орошение, регулярное орошение и автоматизированное орошение. На орошаемых землях издревле возделывались зерновые и овощные культуры, хлопок и травы, сады и виноградники. Урожайность культур при этом была низкой из-за несовершенства оросительных систем и отсутствия средств интенсификации (минеральные удобрения, ядохимикаты, механизации). Наивысшую степень развития ирригация достигла во второй половине ХХ столетия, когда были построены технически совершенные гидромелиоративные системы, создана необходимая инфраструктура и сельскохозяйственное производство получило полное материально-техническое обеспечение. Во всех республиках бывшего СССР были внедрены передовые технологии земледелия и была достигнута высокая степень механизации производственных процессов. Широко развитая сеть опытных и научно-исследовательских учреждений была направлена на оперативное удовлетворение запросов сельскохозяйственного производства. Оно всегда заключалось в обеспечении условий для достижения определенной, как правило, наивысшей урожайности сельскохозяйственной культуры. Возможным отрицательным последствиям преобразования природы внимания почти не уделялось. Концепция преобразования природы при помощи различных видов мелиорации исходит из эволюции теории о методах и технологии мелиоративного регулирования. Некоторое представление о ней дают периоды развития гидротехнических 10

мелиораций, имевшие место, главным образом, в республиках Средней Азии, и предложения по их совершенствованию на перспективу (М.Х. Сарсенбаев, 2001) (рисунок 1).

Рисунок 1. 1-VI периоды; 1-8 – наиболее актуальные вопросы исследований: 1 – влажность почвы; 2 – засоление почвы по хлору и плотному остатку; 3 – полная водная вытяжка; 4 – уровень грунтовых вод; 5 – объем воды, необходимый для регулирования солевого режима почвы; 6 – степень искусственной дренированности; 7 – динамика содержания гумуса в почве; 8 – экологические показатели. КЗИ, КПД – соответственно коэффициенты земельного использования и полезного действия оросительной системы: М – объем водоподачи для регулирования солевого режима в долях от оросительной нормы; Д – модуль дренажного стока, л/с с 1 га; К – капитальные затраты в относительных величинах; У – урожайность в относительных величинах; Э – экологические условия в речном бассейне (знак минус – ухудшение в относительных величинах).

11

На рисунке выделено шесть периодов: I период – древнее орошение вплоть до XX века; II – начало XX столетия – предвоенные годы; III – 50-70 годы; IV – 60-90 годы; V и VI периоды – конец XX и начало XXI столетия. Периоды выделены по признакам качественно нового этапа в развитии мелиорации, выразившегося в разработке и углублении теории гидромелиорации, и реализации на практике новых технологий мелиоративного регулирования. Древнее орошение (I период) развивалось медленно. Усилия земледельцев были направлены в основном на регулирование водного режима. Из-за засоления почвы широко практиковалось «кочевое земледелие». Научного обоснования не было. Во II периоде впервые были заложены научные обоснования регулирования водного режима почв при орошении (по терминологии тех лет «мелиорация в сторону минуса») основоположником мелиорации как науки в СССР академиком А.Н. Костяковым. Под его руководством были выполнены гидромодульные исследования в Туркестане и Закавказье, контролировалась влажность почвы, изучались причины засоления почвы и испытывались способы борьбы с ним. В это время работали ученые С.К. Кондратьев, И.А. Шаров, Л.П. Розов и др. III период характеризуется переустройством старых оросительных систем, упорядочиванием их эксплуатации, введением планового водопользования. Усиливается дальнейшее развитие идей А.Н. Костякова. Теоретическая разработка вопросов фильтрации, дренажа, промывки засоленных земель, необходимость проведения водно-балансовых исследований при осуществлении мелиораций связаны с именами В.А. Ковды, С.А. Аверьянова, В.Р. Волобуева, В.М. Легостаева, Н.М. Решеткиной, Х.И. Якубова и др. IV период отличается бурным развитием мелиоративного строительства. К этому времени, благодаря трудам С.Ф. Аверьянова, В.А. Ковды и др., стала окончательно ясной необходимость строительства дренажа при избыточном увлажнении почвы и внедрение промывного режима орошения для успешной борьбы с засолением почвы. К V периоду относятся годы, когда были разработаны и получили признание теории, согласно которым регулированию подлежит не только водно-солевой, но и питательный режим 12

почвы, а также условия формирования почвенного плодородия (И.П. Айдаров и др.). В XXI столетии ожидается новый подход к мелиорациям (VI период), когда особое внимание будет уделяться управлению почвообразования, регулированию роста и развития растений, биологической продуктивности угодий, а также защите окружающей среды. На рисунке 1 видна динамика развития технических, мелиоративных, экономических и экологических показателей во времени. При росте всех показателей (КЗИ, КПД, урожайность, степень дренированности) только один показатель имеет отрицательный знак – это экологические условия прилегающих территорий. Непрерывно увеличивающийся водозабор из рек и возрастание дренажного стока привело к ухудшению экологии водного режима в низовьях речного бассейна. Поэтому традиционная практика мелиоративного регулирования требует критического анализа и пересмотра. Несмотря на многовековую историю развития мелиорации, изучение гидрологических характеристик процессов на мелиорируемых землях началось сравнительно недавно: в конце 50-х – начале 60-х годов прошлого столетия. Вопрос об изучении гидрологических процессов на мелиорируемых землях и в речных бассейнах с развитой мелиорацией впервые поставили А.И. Воейков, В.Г. Глушков. В дальнейшем, развивая научные идеи А.Н. Костякова и С.Ф. Аверьянова, первые комплексные гидрологические, гидрогеологические и почвенные исследования были выполнены по единой методике и проведены Государственным гидрологическим институтом (ГГИ) под руководством С.И. Харченко на оросительных системах в бассейне р. Дон. Практика комплексных полевых исследований и теоретических разработок (С.И. Харченко, В.С. Мезенцев и их последователи) подтвердила, что основной для регулирования водного режима и объективной оценки мелиоративного состояния орошаемой или осушаемой территории является информация о компонентах водного, теплового и солевого балансов зоны аэрации, водоносного слоя и приземного слоя воздуха. Установлено, что балансовые методы позволяют решать ряд важных научно-исследовательских задач: 13

- разработка региональных рекомендаций по управлению водным, солевым, тепловым, воздушным режимами зоны активного водообмена, включая корнеобитаемый слой; - определение водопотребления и водоотведения при оросительных и осушительных мелиорациях; - количественная и качественная оценка и прогноз изменения водного и солевого балансов, водных ресурсов, возвратных вод и безвозвратных потерь, мелиоративного состояния земель под влиянием орошения и осушения; - обоснование проектов строительства и реконструкции мелиоративных систем и отдельных их элементов. В настоящее время кардинальные перемены геополитической, социально-экономической и экологической ситуаций в Евразийских странах СНГ требуют адекватного пересмотра существующей идеологии развития мелиорации сельскохозяйственных земель. Предстоит усовершенствовать методику вычисления экономической эффективности ирригации и стоимости поливной воды, уточнить рациональную структуру посевов, определить приемлемые направления технического совершенствования оросительных систем. Особую значимость приобретают вопросы, связанные с ограничением величины орошаемых площадей, исходя из возможностей водообеспечения экологии и социальных потребностей. Казахстан, понесший наиболее тяжелые потери от чрезвычайного водозабора стока трансграничных рек, в первую очередь должен разработать и задействовать новую концепцию мелиорации, соответствующую сложившейся ситуации и адекватной тенденциям ее изменении. Новая концепция мелиорации призвана учитывать все стороны преобразования природы, включая экологические требования. Она, в частности, должна ответить на такие вопросы: - какие цели и задачи имеет мелиорация сельскохозяйственных земель? - какие качества орошаемых земель следует принимать за высокое, допустимое и непригодное для использования? - какого качества земель и урожайности сельскохозяйственных культур можно допустить при данном уровне социально-экономического развития и состоянии экологической обстановки? 14

- какие действия являются наиболее целесообразными для повышения продуктивности земель и какие экологические ущербы могут при этом возникнуть? В последние годы ученые России, приняв во внимание отрицательные последствия осуществленных мелиораций, считают, что основная цель мелиорации сельскохозяйственных земель – качественное улучшение и расширенное воспроизводство почвенного плодородия, получение оптимального урожая сельскохозяйственных культур при наименьших отрицательных воздействиях на окружающую среду (землю, воды и т.д.). Здесь впервые обращено внимание на необходимость обеспечения экологической безопасности. Величина урожайности может быть «оптимальной», а не «высокой и устойчивой», как считалось ранее. Если учитывать не только сельскохозяйственные земли, но и другие угодья, то справедливым следует признать мнение А.Н. Костякова, что целью мелиорации является «наиболее эффективное использование земельных ресурсов». Еще более широкий смысл цели мелиорации придается в науке о природопользовании. Здесь мелиорация понимается как наука о методах изменения природной среды для улучшения ведения хозяйства (сельского, лесного) и для жизни людей. В данном определении присутствует не только экологический, но и социальный фактор. Таким образом, при помощи мелиораций улучшениям подлежат не только орошаемые поля, но и смежные территории, вплоть до всего речного бассейна. Население как верховьев рек, так и низовий должно иметь благо от регулирования водного режима, а природная среда не испытывать стресса от этого. Необходимость разработки нового подхода к рационализации использования водно-земельных ресурсов в зоне мелиорации вызывается не только требованиям устранения пестроты урожайности, но и рядом других серьезных факторов: катастрофическим дефицитом поливной воды, внедрением мировых цен на все виды ресурсов, ухудшением экологической обстановки, сложностью сбыта сельскохозяйственной продукции и др. Сущность предлагаемой концепции заключается в дифференцированном назначении интенсивности регулирующих 15

мероприятий (гидромелиоративных, агротехнических, лесомелиоративных) в зависимости от исходного (потенциального) плодородия почвы. При этом подлежат учету и другие обстоятельства: обеспеченность поливной водой, наличие средств связи и коммуникаций и т.д. Для реализации такого подхода выполняют агропроизводственную группировку почв и бонитировку земель, выделяют участки, существенно различающиеся по эффективному плодородию. Отсюда, можно выделить следующие категории земель: 1 – высокопродуктивные (доходные), 2 – с допустимой продуктивностью и 3 – низкопродуктивные (нерентабельные при орошении) (М.Х. Сарсенбаев, 2001). Экологизация природопользования путем организации адаптивного сельского хозяйства имеет целью увеличение видового и сортового разнообразия агроэкосистем, конструирование экологичеыски устойчивых агроэкосистем и ландшафтов, переход на биологизацию и экологизацию продукционного и средообразовательного процессов в агроэкосистемах. Данная концепция допускает некоторое снижение продуктивности мелиорируемых земель, но зато приводит к ряду экологических преимуществ: сокращает водозабор из рек, уменьшает ирригационную эрозию почв, увеличивает количество растительных ассоциаций, оптимизирует сочетание разных отраслей сельскохозяйственного производства. В орошаемом земледелии для экономии ресурсов, кроме минимальной обработки почвы и биологизации земледелия необходимо еще и минимальное орошение. В данном случае, под минимальным орошением следует понимать систему мероприятий, направленных на обеспечение адаптивных к местным условиям устойчивых агросистем, которая включает: выбор участников для орошения, подбор засухоустойчивых и солееустойчивых растений, разработку ресурсосберегающей агротехники и специальных мероприятий по стабилизации средообразующих процессов на новом уровне. Данная технология базируется на законах и принципах экологии и природопользования и направлена на компонентно-экологическую оптимизацию при орошении земель с исходным низким плодородием. 16

2. ГИДРОЛОГО-КЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ 2.1 Влияние микроклимат

мелиораций

на

почву,

растения

и

Формирование растительной массы и урожая сельскохозяйственных культур происходит под влиянием комплекса факторов: тепла, света, влаги и почвенной среды. Однако для получения высоких урожаев провести только орошение или осушение недостаточно. Необходим комплекс мелиоративных мероприятий, применяемый в зависимости от направления и интенсивности процессов, происходящих в окружающей среде, и от особенностей развития самих растений. Для нормального развития в почве необходимо поддерживать оптимальное соотношение воды и воздуха. Изменение этого соотношения определяет водно-воздушный, питательный, солевой и тепловой режим почвы. Например, при затоплении почвы, что происходит при подъеме уровня грунтовых вод, оптимальное соотношение вода – воздух нарушается в сторону ухудшения аэрации почвы. Последнее приводит к количественному и качественному снижению урожая сельскохозяйственных культур. Орошение влияет на физическое состояние почвы, а также на химические и микробиологические процессы, происходящие в ней. Орошение, как правило, отрицательно влияет на структуры почвы. При поверхностном орошении почвенные комки частично распадаются и на ее поверхности образуется корка, вследствие чего, уменьшается водопроницаемость и ухудшается аэрации почвы (проникновение в почву воздуха). Наличие уплотненной корки ведет к быстрому иссушению активного 17

слоя почвы за счет усиления испарения воды. Для борьбы с этим явлением полив ведется не сплошным затоплением, а по бороздам. Кроме того увлажнение почвы производится внутрипочвенным орошением по капиллярам (капельное орошение). Поливная вода повышая влажность почвы и принося с собой взвешенные с ней наносы, изменяет характер почвообразования и способствует образованию специфических культурно-поливных почв. За счет создания оптимальных условий увлажнения почвы в ней активизируются биологические процессы, создаются условия для образования структуры, что в конечном счете, повышает плодородие. Если орошение ведется строго нормировано и не вызывает подъема грунтовых вод, то за счет поливов происходит опреснение почвенного профиля и вымыв солей в нижележащие горизонты или в грунтовые воды. Избыточное орошение, помимо непроизводительных потерь воды, вызывает подъем уровня грунтовых вод, что может привести к засолению и заболачиванию земель. Чтобы избежать этого, применяются различные мероприятия как организационного, так и гидротехнического (дренаж), агротехнического и лесотехнического характера. При орошении сточные воды на поля выносятся водой удобрительные вещества, что ведет к интенсификации микробиологической деятельности в почвах. При орошении земель, отличающихся изрезанностью рельефа и повышенным уклонами, большое значение имеет планировка полей и режим поливов, что позволяет избежать эрозии (смыва) и обеднения почв. Оросительная вода выравнивает тепловой режим почвы. В условьях засушливых районов понижение высокой температуры почвы на орошаемых землях в определенных пределах для большинства культур оказывается благоприятным. В холодную погоду орошаемые участки оказываются теплее, чем неорошаемые. Выравнивание значений температур почвы происходит вследствие того, что вода обладает значительно большей теплоемкостью, чем почва. Орошение используется для борьбы с весенними и осенними заморозками, так как при орошении вместе с водой на поля подается и некоторое количество тепла, способствующее повышению температуры почвы. 18

Орошение влияет также на микроклимат территории: в результате затрат значительной части солнечной энергии на транспирацию растений и испарение воды почвой температура воздуха над орошаемым массивом понижается, а относительная влажность повышается, происходит выравнивание суточного и сезонного температурного режима. Благотворное влияние орошения на микроклимат усиливается при наличии на орошаемых территориях лесных полос, способствующих уменьшению силы ветра и турбулентного перемешивания воздуха в приземном слое. На развитие растений и урожая орошение влияет двумя путями: 1 – непосредственно снабжая растения влагой и питательными веществами; 2 – косвенно через почву и микроклимат. Плодородная почва непрерывно снабжает растение необходимым количеством воды и пищи. Следовательно, высокие урожаи при орошении возможны тогда, когда растения своевременно получают все необходимое для их роста: влага, почвенный воздух, питательные вещества. Орошение оказывает влияние не только на количество, но и на качество урожая: на содержание в растениях белков, сахара, жиров, углеводов, крахмала. Так, при орошении малыми поливными нормами и при высокой агротехнике процентное содержание белков в урожае повышается. При оптимальных поливных режимах можно достичь наибольшего процента сахаристости в сухом веществе фруктов и свеклы. Умеренное орошение, особенно в сухие годы, увеличивает процент крахмала в картофеле. Наиболее благоприятное действие орошения проявляется в полной мере только в том случае, если оно осуществляется правильно (поливы производятся в количествах и сроки, отвечающие потребности растений, обеспечивается надлежащий питательный, тепловой, световой и воздушный режим) и в комплексе с соответствующей агротехникой. И наоборот, избыточное орошение вредно не только вследствие бесполезной затраты воды и ухудшения свойств почвы, но и вследствие возможного ухудшения качества урожая и нежелательного подъема уровня грунтовых вод. 19

2.2 Оросительные системы Оросительная система – это комплекс орошаемых земель, источника орошения и гидротехнических сооружений, предназначенный для коренного улучшения водного режима почв, повышения их плодородия с целью получения высоких урожаев, наиболее эффективного использования земельных и водных ресурсов. По способу забора воды из источника орошения различают оросительные системы самотечные и с механическим водоподъемом. Самотечные системы применяют, когда отметки поверхности орошаемого массива ниже отметок поверхности воды в источнике орошения и вода на полив идет самотеком. В других случаях необходим механический водоподъем с помощью насосных станции для подачи воды на орошаемую площадь. Кроме того, системы могут быть с совместным использованием самотека воды и механическим водоподъемом. По геоморфологическим условьям оросительные системы разделяются на три основных типа: предгорный, долинный, системы водораздельных долин и плато. В зависимости от сельскохозяйственного направления орошаемых районов существует следующие виды оросительных систем: 1) системы хлопковых районов; 2) рисовые системы; 3) системы районов плодоовощного направления; 4) системы зернового направления. Такое разделение связано с тем, что каждая система имеет свои особенности в плановом расположении каналов, организации орошаемой территории и т.п. По техническому состоянию оросительные системы бывают трех типов: открытые (из открытых каналов и лотков); закрытые (из напорных или безнапорных трубопроводов, заложенных в земле на различной глубине); комбинированные, в которых основные крупные каналы (магистральные и распределительные) делают открытыми, а мелкие заменяют трубопроводами напорного типа. По производственной мощности различают три категории систем: 1) головной забор воды больше 100 м3/с, объем водохранилищ больше 500 млн. м3, площадь орошения более 60 тыс. га; 20

2) головной забор вод от 50 до 100 м3/с, объем водохранилищ от 250 до 500 млн. м3, площадь орошения более 30 тыс. га; 3) головной забор воды до 50 м3/с, объем водохранилищ до 250 млн. м3, площадь орошения до 30 тыс. га; Если оросительная система обслуживает одно хозяйство – это внутрихозяйственная система, если несколько хозяйств – межхозяйственная. Оросительные системы включают в себя следующие основные элементы: 1) источник орошения, предназначенный для обеспечения водой орошаемого массива в течение всего вегетационного периода; 2) водозаборное (головное) сооружение для водоподачи из источника в магистральный канал; 3) магистральный канал (МК), транспортирующий воду от водозаборного сооружения до распределителей различных порядков; 4) межхозяйственные распределители, подающие воду из магистрального канала и его ветвей в хозяйственные распределители; 5) хозяйственные распределители, обеспечивающие водой хозяйства; 6) внутрихозяйственные распределители, подающие воду на севооборотные участки; 7) участковые распределители, подводящие воду непосредственно к полю севооборота или к поливному участку; 8) регулирующая сеть; 9) водосборно-сбросная сеть и коллекторно-дренажная сеть, состоящая из водосбросных каналов, концевых сбросов, дрен и коллекторов различных порядков и предназначенная для отвода за пределы орошаемого массива избыточных поверхностных и грунтовых вод; 10) дорожная сеть, необходимая для обеспечения беспрепятственного передвижения по орошаемым площадям средств механизации сельского хозяйства и транспорта при перевозке урожая; 11) гидротехнические сооружения различного типа, конструкции, размера и назначения, гидрометрические створы, 21

гидр рологические посты, скважины д для наблюденияя за уровнем грун нтовых вод; 12) 1 полезащитны ые лесные полоссы, предохраняю ющие почвы поли ивного участка от вредного деействия ветра, затеняющие канаалы и уменьш шающие потери и оросительной й воды на испаарение (рисунок 2).

Рису унок 2. Схема оросительной системы 1 – водоисточник, 2 – водозаборное сооружение, 3 – холостая х часть магистрального каналаа (АБ), 4-лесополоосы, 5 – хозяйствеенный распреый распределительь, 7 – рабочая частть магистральделиттель, 6 – участковы ного канала (БВ), 8 – коллекторно-дрренажная сеть, 9 – временные ители, 10 – дорога, 11 – межхозяйствеенный распределитель. ороси

Территория, Т на которой к располаггается оросителььная система (валовая площадь), включает в сеебя: площадь, занимаемую поли ивной сетью; неп поливаемую плоощадь (по условьям рельефа или характера почв); площадь отчуж ждения (на ней расположены р доро оги, межи, перех ходы, гидротехн нические сооруж жения); непосред дственно орошаеемую площадь (оорошаемая площ щадь нетто) и площ щадь брутто (ввключает орош шаемую площадьь вместе с площ щадью отчужден ния). Отношениее орошаемой пло ощади нетто 22

к орошаемой площади брутто называется коэффициентом земельного использования, являющегося важной характеристикой, показывающей эффективность использования водно-земельных ресурсов в оросительной системы. 2.3 Теоретические основы обоснования мелиораций

гидрометеорологического

Влагообеспеченность любой территорий определяется не только количеством выпадающих атмосферных осадков, но их расходованием на сток и испарение. Главными фактором испарения при наличии влаги служит солнечная энергия. Поэтому количественные характеристики влагообеспеченности наряду с атмосферными осадками формируются, определяются количеством тепла, достигающего земной поверхности. То есть количественные параметры влагообеспеченности должны рассматриваться как результат совместного процесса влаго- и теплообмена в целом. Потребность тех или иных видах гидромелиораций, а также выбор способов их реализаций в большой мере зависят от природных условий, первостепенную роль среди них играют гидрометеорологические факторы, отражающие условия естественной влаго- и теплообеспеченности территорий. При проектировании и назначении режимом гидромелиорации первоначально, как правило, определяют многолетние характеристики гидрометеорологических условий, изменчивость которых оказывает большое влияние на биологические процессы роста и развития растительности. Другими природными факторами, определяющими влагообеспеченность являются многообразные физико-географические условия: почвенно-ботанические, геоморфологические, гидрогеологические и т.д. Недостаток или избыток влагообеспеченности сельскохозяйственных земель компенсируется или перераспределяется путем гидромелиораций, то есть антропогенным воздействием, приводящему к гидромелиоративному круговороту воды и химических элементов. В результате происходит трансформация природных процессов и образуются агроэкосистемы, продук23

тивность которых определяется регулированием вновь созданного оптимального водного баланса и связанного с ним питательного, воздушного, солевого и микробиологического режимом почв. Искусственное регулирование водного, теплового и других балансов в большинстве случаев приводит к существенному вмешательству хозяйственной деятельности в природные процессы, вызывая тем самым значительное их преобразование как в сторону улучшения, так и в сторону создания неблагоприятных экологических проблем. Степень преобразования естественных ландшафтов под действием гидромелиораций может характеризоваться при помощи понятия «энтропия» - меры изменения упорядоченности системы. Высокая энтропия характерна для естественных установившихся природных экосистем, а низкая – для антропогенных. Самыми продуктивными являются агроэкосистемы, которые получают дополнительную энергию в результате регулирования оптимального водного режима почвы, и имеющие наиболее низкую энтропию. Понятие энтропии, возникшее при изучении преобразования тепловой энергии, часто употребляется и для характеристики способности к деградации различных систем и веществ. Деградация экосистемы, характеризуемая уменьшением обмена системы энергией и веществом с окружающей средой, сопровождается увеличением энтропии. Так, например, орошаемый оазис в пустыне имеет низкую энтропию, а с прекращением поливов, он опустынивается с быстрым возрастанием ее, которая достигает максимума, когда ранее процветающий оазис вновь превратиться в пустыню. В физике изменение энтропии (ΔS) определяются как отношение полученного системой некоторого количества теплоты (SQ) к абсолютной температуре системы (Т), т.е. Δ

S 

SQ , Дж/°К T

(1)

В ряде отраслей знания, главным образом, при общеклиматическом и почвенно-географическом районировании, исполь24

зуют индексы, вычисляемые различными методами по количеству тепла и влаги, поступающими на земную поверхность. Большинство известных ученых считают, что именно соотношение тепла и влаги предопределяют интенсивность и характер форм обмена энергией и веществом между основными компонентами географической среды. Исследователями предложено много методов определения количественных характеристик влагообеспеченности земной поверхности. К первой группе методов согласно В.С. Мезенцева (1974), относится оценка условий влагообеспеченности, по материалам непосредственных многолетних наблюдений за отдельными элементами водного баланса в форме таблиц и картографических схем (А.И. Воейков, 1874; С.И. Небольсин, 1916; А.А. Красовский, 1938; Д.И. Кочерин, 1927, 1929; М.А. Великанов и Д.Л. Соколовский, 1928; Б.Д. Зайков, 1937, 1938, 1946; В.А. Троицкий, 1948; О.А. Дроздов, 1948; П.С. Кузин, 1934, 1940, 1950 и др.). Обобщение данных о распределении во времени и в пространстве таких косвенных теплоэнергетических характеристик климата, как температура, относительная влажность и дефицит влажности воздуха выполнены в области климатологии и метеорологии. К этой же группе методов относятся получившие в свое время большое развитие обобщение накопленных материалов актинометрических наблюдений и расчетных значений элементов радиационного и теплового балансов (Н.Н. Калитин, 1945; Т.Г. Берлянд, 1947, 1955; М.И. Будыко, 1956; З.И. Пивоварова, 1952, 1966). Вторая группа методов сопоставляет количественные характеристики гидролого-климатических условий, отражающие через относительные показатели два основных фактора влагообеспеченности: ресурсы влаги и ресурсы тепла. Впервые метод относительных показателей условий естественной влагообеспеченности был предложен в России К.К. Веселовским (1857). Тогда была сделана попытка обобщить имевшиеся немногочисленные данные об атмосферных осадках и испаряемости с водной поверхности, наблюдаемой с помощью простейших испарителей. Более смелые шаги в этом направлении позже были сделаны А.И. Воейковым (1884) и В.В. Доку25

чаевым (1889), использовавшими отношения годовых сумм осадков к испаряемости для характеристики климата разных почвенно-ботанических зон. В дальнейшим такой и подобные ему коэффициенты соотношение выразителей количеств влаги и тепла были использованы Г.Н. Высоцким (1904), Е.Н. Трансо (1905), А. Пенком (1910) и другими исследователями при изучении климатических условий различных стран. Большим достижением явилось предложение Э.М. Ольдекопа (1911) о замене величины испаряемости с водной поверхности величиной максимально возможного испарения. А. Мейер (1926), И.А. Прескотт (1931), П.С. Кузин (19341937), Д.И. Шашко (1967) и другие исследователи сделали предложения, сводящие к выражению величины климатического коэффициента увлажнения через отношение суммы атмосферных осадков к некоторой функции дефицита влажности воздуха, количественно представляющей испаряющую способность воздуха: K

X f d 

,

(2)

где X – сумма атмосферных осадков; d – дефицит влажности воздуха. Другой формой критерия влагообеспеченности стали «коэффициент увлажнения» А.Н. Костякова (1938): Kk 

αX , Eотм

(3)

а также «эвапорометрический коэффициент» А.А. Скворцова (1949, 1950) и идентичный ему «коэффициент соответствия тепла и влаги» Д.И. Абрамовича (1948, 1952): KAC 

E , EO

(4)

Отличительной особенностью этих показателей влагообеспеченности являются то, что числители правых частей 26

соотношений (3) и (4) представляют расход влаги на процесс суммарного испарения: α – коэффициент испарения; X – сумма атмосферных осадков; Е – суммарное испарение. В знаменателях: Еопт – оптимально потребное количество влаги, определяемое по заданному урожаю и коэффициенту транспирации; Ео – испаряемость «с определенной стандартной поверхности». Широкое распространение получил коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова (1941, 1948) определяемый по выражению: Kи 

Х , Eо

(5)

где X – среднемноголетняя сумма осадков, мм; Ео – испаряемость с водной поверхности (мм), вычисляемый за отдельные месяцы по формуле: E  0 ,018 ( 25  t )  ( 100   )

,

(6)

где t – среднемесячная температура воздуха, °С; α – средняя за месяц среднесуточная относительная влажность воздуха, %. Существенными недостатками метода Н.Н. Иванова являются: 1) стоящая в числителе сумма осадков не учитывает внутригодового перераспределения влаги на начало и конец расчетного периода, а также в случае отсутствие осадков Ки равен нулю; 2) из-за различия радиационных и теплофизических условий и свойств водной поверхности и поверхности суши испаряемость не может представлять энергетические ресурсы процесса суммарного испарения с суши. В бывшем СССР большое применение получил так называемый гидротермический коэффициент Г.Т. Селяникова (1933, 1937), представляющий собой соотношение суммы осадков к сумме суточных значений температуры выше 10°С: KC 

Х , 0,1  t10C 

(7)

где  t 10C сумма средних суточных температур воздуха выше 10 °С за расчетный период; Х – сумма осадков за тот же время. 27

По мнению самого автора, гидротермический коэффициент призван отражать степень компенсации фактическими атмосферными осадками потребного для высокопродуктивного роста и развития растений количества влаги, соответствующего теплоэнергетическим ресурсам климата. Однако данный коэффициент не может быть использован для оценки влагообеспеченности внутригодовых периодов, так как он не учитывает внутригодового перераспределения влаги. Известно, что соотношение тепла и влаги предопределяет интенсивность и характер форм обмена энергией и веществом между основными компонентами географической среды. Предложенный М.И. Будыко (1956) «радиационный индекс сухости» (JR) вычисляется как отношение радиационного баланса деятельной поверхности (R) к годовой величине атмосферных осадков (X), выраженной в количестве тепла, необходимого для их испарения: JR 

R , L X

(8)

где L – скрытая теплота парообразования, равная 597 кал/г или 2,5 · 103 кДж/кг. Общность понятий изменения энтропии и индекса сухости заключается в характеристике одного и того же процесса – теплового и в физическом смысле математического описания его: поступление теплоты соизмеряется с энергетической характеристикой состояния системы. В формуле (8) она представлена количеством влаги, выраженной количеством тепла, затрачиваемого при ее испарении. По формуле (1) можно определить направление термодинамических процессов, а по формуле (8) устанавливать величину JR, затем тип ландшафта и его продуктивность в естественных условиях (рисунок 3). Характерно, что в соответствии с законом периодической географической зональности А.А. Григорьева и М.И. Будыко (1956), максимальная биологическая продуктивность ландшафтов имеет место при JR ≈ 0,8-1,0.

28

Рисунок 3. Схематическое изображение периодического закона географической зональности А.А. Григорьев и М.И. Будыко Примечание: ось ординат – физико-географические пояса. I – субарктический и умеренный пояса: 1 – тундра; 2 – тайга; 3 – смешанные и широколиственные леса; 4 –лесостепи; 5 – степи; 6 – полупустыни; 7 – пустыни умеренного пояса. II – субтропический пояс: 8 – вечнозеленые леса; 9 – субтропические степи; 10 – субтропические полупустыни; 11 – субтропические пустыни; III – тропический, субэкваториальный и экваториальный пояса: 12 – экваториальные леса; 13 – субэкваториальные леса; 14 – саванновые леса; 15 – кустарниковые саванны; 16 – опустыненные саванны; 17 – тропические пустыни. (диаметры кружков пропорциональны биологической продуктивности ландшафтов).

И.П. Айдаров (1985), обобщив экспериментальный материал, выявил зависимость основных свойств почв от величины радиационного индекса сухости и показал, что при вычислении его, наряду с атмосферными осадками, можно учитывать и объемы водоподачи при Qр. Отсюда:

J R  L  X R Q P  .

29

(9)

Предложения И.П. Айдарова дали мощный импульс для развития теории гидромелиорации и смежных наук. В частности Ж.С. Мустафаевым (1997) выполнена обстоятельная оценка природно-экологических условий Казахстана на основе анализа величин индекса сухости, а также биологического и геологического круговорота веществ. Уравнение водного баланса орошаемого поля включает слагаемые: М – объем водоподачи; ∆W – объем почвенной влаги невегетационного периода, используемого растениями; Г – подпитывание корневого слоя грунтовыми водами (субирригация); Х – количество осадков за период вегетации; ЕВ – суммарное испарение (водопотребление растений). При этом E В  M  W  Г  Х .

(10)

Разделив обе части на сумму приходных слагаемых, получим: ЕВ 1 . М  ΔW  Г  Х

(11)

Если учесть, что на интенсивно орошаемых полях радиационный баланс почти полностью расходуется на эвапотранспирацию, т.е.: R ≈ L· ЕВ, то можно писать: JR 

R R   1. L M  ΔW  Г  Х  L  Е В

(12)

Ж.С. Мустафаевым экспериментальными данными показано, что в условиях Казахстана, при существующих в настоящее время оросительных нормах, имеет место равенство: R/L·ЕВ=1 Стремление в гидромелиорации обеспечить равенство R и L·ЕВ путем регулярного орошения направлено на полное использование тепловых ресурсов района на орошения. При достаточном количестве поливной воды и рентабельности земледелия это оправдано. В случае дефицита речного стока возможны другие варианты использования водных ресурсов. 30

На наш взгляд, технология гидромелиоративного регулирования, основанная на использование периодического закона географической зональности А.А. Григорьева – М.И. Будыко, может быть реализована по следующей схеме: а) естественные ландшафты б) мелиорируемые ландшафты R    B M,   LE B   (13) R  LE B, , ,  Be  f R,LX  B M  const  max      R  Be , LX R  LX,

(14)

где Be и Вм – биологическая продуктивность (урожайность) растений соответственно на естественных и мелиорируемых угодьях. В общем виде предлагаемая схема выглядит следующим образом: {[Тепловой баланс]} {[Водный баланс]}

Биологическая продуктивность

Тип ландшафта

Величина радиационного индекса сухости, равная единице, свидетельствует о сбалансированности тепла и влаги, обеспечивающих максимальную биологическую продуктивность в данных физико-географических условиях. Экосистема в этом случае имеет самую низкую энтропию, так как она упорядочена относительно биомассы, тепла и влаги, находящихся в динамическом равновесии. Уменьшение любого компонента, например влаги, повышает энтропию системы. При прекращении орошения система приходит к конечному равновесному состоянию, с максимальной энтропией и соответствующей ей пустынным ландшафтом. На территориях с неблагоприятными почвенно-мелиоративными условиями не удается достичь максимальной биологической продуктивности, несмотря на полное удовлетворение водопотребности растений. Здесь затраты поливной воды и труда не соответствует объему полученной продукции. Поэтому нами 31

предлагается, в целях экономии водных и других ресурсов, дифференцированно назначать: JR = 0,9-1,7 в зависимости от плодородия почвы и обеспеченности водными ресурсами. Подбирая засухоустойчивые растения, можно обеспечить биологическое разнообразие и в конечном итоге уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Таким образом, теоретический анализ методов гидрологоклиматического обоснования рационального природопользования при мелиорациях выявил: 1) целесообразность применения радиационного индекса сухости при оценке влагообеспеченности для планируемых гидромелиоративных и экологических преобразований территорий; 2) возможность использования понятия энтропии как меры отклонения экосистемы от равновесного состояния; 3) перспективность использования естественных ландшафтов в качестве модели для создания антропогенных мелиорируемых экосистем.

3. ВОДНЫЙ БАЛАНС ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ Водный баланс любой территории является результатом взаимодействия климатических факторов с условиями подстилающей поверхности. Основными считаются климатические факторы. Однако почвенно-геологическое строение территории, условия подстилающей поверхности (обработка почвы, мелиорация земель и прочее) играют существенную, а иногда и решающую роль в формировании водного баланса. В частности, орошение способно коренным образом преобразовать естественный водный баланс. С помощью метода водного баланса можно решать ряд практических задач, таких как: влагообеспеченность орошаемых земель, произвести расчеты водопотребления растений, оросительных норм и поливного режима сельскохозяйственных культур; определение инфильтрационного питания грунтовых вод; оценка объема возвратных вод и изменения речного стока; определение КПД оросительной системы и КИВ – коэффициента использования водных ресурсов при орошении. Величина ошибок определения этих характеристик зависит от полноты учета всех элементов водного баланса и надежности их экспериментального определения. 3.1 Уравнение водного баланса Для наиболее полного описания баланса влаги в деятельном слое выделяются три вида уравнения водного баланса: - общее; - баланса грунтовых вод; - баланса зоны аэрации. а) Общее уравнение водного баланса ограниченного по площади участка орошаемой территории для всей толщи почво33

грунтов до водоупора (рисунок 4) для конечного промежутка времени имеет вид: Х+M+ZM+ZX+YПП+YПГ+YП.ПОЧ–YП–YГ–YПОЧ–E–EB–СБ±ΔU±Δq=0, (15) где

ΔU=ΔUПОДЗ+ΔUПОВ,

(16)

ΔUПОДЗ=ΔWН+ ΔUГР,

(17)

ΔUПОВ= ΔUСН+ ΔUПОН,

(18)

Здесь Х – атмосферные осадки; М – оросительные нормы; ZM и ZX – фильтрация воды из магистральных и хозяйственных оросительных каналов; YПП, YПГ, YП.ПОЧ – приток поверхностных, грунтовых и внутрипочвенных вод; YП, YГ, YПОЧ – сток (отток) поверхностных, грунтовых и внутрипочвенных вод; Е – суммарное испарение; EB – испарение с водной поверхности; ΔU – изменение запасов воды (ΔUПОВ – на поверхности, ΔUПОДЗ – в толще почвогрунтов и водоносном слое, ΔUГР – в грунтовых водах, ΔWН – в почве-грунтах в зоне аэрации); Δq – показатель водообмена верхнего водоносного слоя с нижележащими. В случае, когда каналы дренирует грунтовый сток величины ZM и ZX отрицательны.

Рисунок 4. Схема водного баланса и влагообмена в зоне аэрации при орошении

34

Все элементы водного баланса исчисляются в мм слоя, отнесенные к единице площади исследуемой территории. б) Уравнение водного баланса водоносного слоя выглядит следующим образом: – ΔUГР = YПГ – YГ + J – K ± Δq,

(19)

где J – пополнение запасов грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и поливных вод (инфильтрационное питание грунтовых вод); K – расход грунтовых вод в зону аэрации или капиллярное подпитывание зоны аэрации. в) Уравнение водного баланса зоны аэрации имеет вид: Х+M+ZM+ZX+YПП+YП.ПОЧ –YП –YПОЧ –E–EB–J+K–MСБ± ΔWН ± ΔUПОН ± ΔUСН=0, (20) где ΔUПОН, ΔUСН – соответственно изменение влагозапасов в микропонижениях и в снежном покрове Особый интерес, в этом плане, представляют собой водный баланс рисовых систем за вегетационный период (апрельсентябрь). В частности для Каратальского массива орошения уравнение выглядит следующим образом: ΔW=M+X+YПГ –MC –Eа –EP –ETP –EEP –YГ –YB –Ym,

(21)

где ΔW – изменение влагозапасов в зоне аэрации; М – подача оросительных вод; Х – атмосферные осадки; YПГ – восходящее движение грунтовых вод; MC – суммарный сброс дренажно-сбросных вод; Eа – испарение с открытой почвы за апрель; EP, ЕЛ ETP, EEP – суммарное испарение риса, люцерны, тростника и естественной растительности; YГ – отток грунтовых вод нисходящим током на рисовых полях; YB – выклинивание грунтовых вод в реку Каратал; Ym – транзит оросительных вод за пределы массива. Анализ водного баланса показал о неблагополучии последнего. В частности оросительные нормы по системе завышены в 2-2,5 раза по сравнению с проектными. Здесь наблюдается неоправданно большой сброс с рисовых чеков. Экспериментально доказано, что в условиях Каратальского рисового массива при35

мерно 16% объема водозабора затрачивается на водообеспечение тростника, водопотребление которого почти в 2 раза превышает водопотребление основной культуры – риса (10% объема водозабора). Площадь произрастания тростника около 5 тыс. га, площадь под рисом около 6 тыс. га, общая площадь рассматриваемого контура 16 тыс. га. Таким образом, такие значительные затраты оросительных вод и без того увеличивают огромные по объему безвозмездно потерянные воды. Подобную картину можно наблюдать практически на всех рисовых системах республики. 3.2 Основные элементы водного баланса орошаемых земель 3.2.1 Атмосферные осадки Атмосферные осадки являются главной составляющей приходной части водного баланса. В настоящее время жидкие осадки, измеряемые осадкомерами Третьякова учитываются сравнительно удовлетворительно. Причем для территорий с равномерным по площади выпадением жидких осадков количество дождемерных пунктов уменьшается, а для территории с менее равномерным выпадением осадков – увеличивается. Исследованиями, выполненными в последнее время, установлено, что существующая методика измерения атмосферных осадков осадкомерами имеет ряд погрешностей, которые необходимо исключить при использовании данных измерений в водно-балансовых расчетах. Эти погрешности возникают вследствие затраты части осадков на смачивание осадкомерного ведра, на испарение из него и за счет выдувания их под влияянием ветра. Поправки для жидких осадков определяют путем сравнения результатов параллельных наблюдений по осадкомерам Третьякова и почвенным дождемерам. Эксперименты, поставленные на Дубовской гидрометобсерватории, показали, что осадкомер Третьякова дает завышенные результаты на 10-12 % по сравнению с почвенным дождемером ГГИ-3000, установленным на открытой поверхности. Причем, это справедливо для небольших 36

и средних по величине осадков до 20 мм (характерно для условий Южного Казахстана). При более значительных осадках показания по обоим приборам одинаковые. Аналогичные результаты получились и по почвенному дождемеру ГГИ-500. На кукурузном поле по сравниваемым приборам получены одинаковые результаты, но при осадках порядка 30 мм осадкомер Третьякова дал несколько завышенные результаты. Следовательно, при расчете водного баланса орошаемых полей, величины осадков, измеренные осадкомерами Третьякова, которые установлены на открытых местах, следует увеличивать на 10-12 %. Для культур, достигающих высоты 2 м, никаких поправок вводить не следует. Это объясняется тем, что часть осадков не достигает почвы, задерживается на листьях и стеблях растений и в последующем испаряется. 3.2.2 Подача и сброс поверхностного стока Источник орошения (река, озеро, водохранилище и т.д.), мелиоративная сеть (оросительные каналы различного порядка, коллекторы, дрены, собиратели) и водоприемник (река, озеро и т.д.) при исследовании водного баланса данной мелиорируемой территории рассматриваются как единый контур, в пределах которого осуществляется поверхностный и подземный водообмен. С целью оценки взаимовлияния оросительных, коллекторно-дренажных и грунтовых вод выполняется увязка планового и высотного расположения гидрометрических постов, створов и кустов гидрогеологических скважин. Поверхностный сток – результаты измерений стока используются для оценки местных водных ресурсов и расчетов водного баланса водосборов, склонов сельскохозяйственных полей. Погрешность измерений величин составляет, как известно 5-7 %. Измерение стока и его вычисления вполне знакомо студентам-гидрологам старших курсов. Объектами измерения стока являются реки (как источник орошения и водоприемник), оросительные каналы (магистральные, межхозяйственные, внутрихозяйственные, временные), коллекторы, дрены, открытые транспортные собиратели, нагорные канавы и т.д. При этом, учитывается как поверхност37

ный, так и коллекторно-дренажный сток с мелиорированных сельскохозяйственных полей, массивов и естественных угодий. Поверхностный сток измеряется не только в канализованных руслах, но и на воднобалансовых площадках размером 3-5 га, оборудованных павильонами для регистрации расходов воды. Сток коллекторно-дренажных вод учитывается на замыкающем и на транзитных створах с целью исследования условий его формирования по территории в зависимости от состава почвогрунтов, глубины залегания грунтовых вод, поливов, осадков и снегозапасов. Указанный комплекс измерений позволит выявить структуру гидрометрического баланса, соотношение осадков, оросительных и коллекторно-дренажных вод, уточнить эффективность использования водных ресурсов и водоотведения с системы, оценить влияние мелиораций на изменение стока и водный режим рек. Средства измерения стока назначаются в зависимости от расхода и режима водотока, способа и техники полива или осушения. На крупных каналах и коллекторах могут применяться дистанционные устройства ГР-64 и ГР-70. Для измерения стока в межхозяйственной и внутри-хозяйственной сети широко применяются гидрометрические лотки Паршала, Вентури различной пропускной способности, насадки, а также тонкостенные водосливы. При расходах 60 м3/с и более может быть использован водомерный лоток САНИИРИ. Объем воды, израсходованный на один полив и отнесенный к поливаемой площади, представляет собой поливную норму. Сумма поливных норм за период вегетации составляет оросительную норму. Для зерновых культур она может колебаться в пределах 2-4 тыс. м3/га, кормовых и технических 6-10 тыс. м3/га, риса 20-40 тыс. м3/га. На орошаемых полях и массивах Средней Азии, подверженных засолению, в невегетационный период проводятся периодические промывки зоны аэрации. Нормы промывки достигают 10 тыс. м3/га. Фильтрационные потери в каналах при разной степени их наполнения рекомендуется измерять на участках транзитного течения отдельными сериями. Оборудования створов самописцами уровня позволяет существенно снизить погрешность расчета потерь. Выявляемое в ряде случаев увеличение стока на 38

бесприточном участке канала может быть обусловлено дренированием водоносного горизонта, и наоборот, - уменьшение расходов по длине коллектора или дрены свидетельствует о питании последними грунтовыми вод. В обоих случаях для подтверждения и объяснения возникающих аномалий необходимо привлекать гидрогеологическую информацию и данные о воднофизических свойствах почвогрунтов зоны аэрации. При отсутствии измерений весенний и дождевой сток с орошаемых полей и массивов определяется расчетным методом по формуле:   dM b     W , Qо.пов  X 1         

(22)

где Qо.пов – сток с сельскохозяйственных полей; Х – атмосферные осадки; dM – дефицит влагозапасов в метровом слое почвы (вычисляется как разность между полной влагоемкостью и фактическими влагозапасами почвы); γ – параметра, вычисляемый как разность между полной влагоемкостью и максимальной гигроскопичностью почвы; ΔW – изменение запасов воды в понижениях микрорельефа (все перечисленные величины выражаются мм); b – параметр, равный, 1,2 для весеннего стока и 1,1 для летнего. Данные гидрометрических измерений анализируются комплексно: сопоставляются объемы (слои) полива и оросительные нормы по отдельным культурам, гидрографы стока оросительных и коллекторно-дренажных вод сопоставляются с данными о ходе осадков, испарения, грунтовых вод и влагозапасов. Так, например, подъем уровней грунтовых вод зоны, подкомандной оросительному каналу, весьма тесно связан с режимом и объемом фильтрационных потерь, определяемых на транзитном участке этого канала по данным измерений в постоянных гидростворах. Сопоставление потерь стока и приращения уровней грунтовых вод, вызванного ими, позволяет получать ряд важных характеристик зоны аэрации, например, период свободной фильтрации, зависимость фильтрационных потерь от пористости зоны аэрации, коэффициент водоотдачи μ. 39

При анализе материалов по стоку оросительных и коллекторно-дренажных вод оцениваются параметры эффективности работы систем или их отдельных звеньев, таких, как коэффициент полезного действия канала (КПД канала), коэффициент полезного использования воды (КИВ). КПД канал представляет собой отношение объема воды, поданной в магистральный канал, к объему, поступающему в оросительную сеть; КИВ – отношение полезного водопотребления культур (транспирации) к общему количеству воды, поданному в систему. 3.2.3 Суммарное испарение В настоящее время для определения суммарного испарения применяются три наиболее распространенных метода: 1. водного баланса; 2. измерение объема водяного пара в атмосфере (метод турбулентной диффузии); 3. измерение затрат энергии на испарение (метод теплового баланса). а) Метод водного баланса для расчета «Е» применяется в следующих вариантах: - по уравнению водного баланса орошаемого водосбора или оросительной системы; - по уравнению водного баланса отдельного сельскохозяйственного поля или участка; - по уравнению водного баланса изолированных монолитов испарителей или лизиметров. Метод водного баланса орошаемого водосбора или отдельных массивов Применение общего уравнения водного баланса (для орошаемой территории ограниченного по территории для конечного промежутка времени) для определения величины Е за сутки, декаду, месяц и даже вегетационный период или сезон практически невозможно. При использовании общего уравнения водного баланса для орошаемого водосбора или отдельного массива следует ограничиваться только многолетними интервалами времени, так как для многолетнего периода многие 40

компоненты уравнения оказываются практически равными нулю. Для такого периода уравнение водного баланса можно записать следующим образом: X+M+ZM+ZX+YП.Г.+YП.П. –YП –YГ –E – EB – MСБ=0.

(23)

Несмотря на отмеченный недостаток, метод водного баланса обладает важным достоинством: при достаточно надежном определении компонентов он дает наиболее точную средневзвешенную (во времени и в пространстве) величину испарения, применяемую в качестве основной при проверке надежности измерения испарения с орошаемой территории другими методами. Метод водного баланса сельскохозяйственных полей Для определения испарения с отдельных орошаемых полей или угодий за летний период при отсутствии поверхностного стока и внутрипочвенного стока, и оттока, когда уровень грунтовых вод Н гр.в. > 10 м, используют следующее уравнение водного баланса: X+M+ZM+ZX–E–EB–MСБ±ΔWH = 0.

(24)

По мнению С.И. Харченко уравнение (24) пригодно лишь для приближенных расчетов. Точность расчетов по данному уравнение для месячного и декадного периодов для однородных почвогрунтов составляет ± 10-12 %, а для неоднородных примерно 15 %. Для более коротких периодов применение уравнения (24) не рекомендуется. Метод водного баланса монолитов Данный метод применяется в двух вариантах: - для изучения испарения из верхнего деятельного слоя почвогрунтов с помощью испарителей; - для изучения расхода влаги в зону аэрации (восходящего потока); - для расчета суммарного испарения и инфильтрации лизиметрами. Метод испарителей В настоящее время метод испарителей применяется при изучении испарения с различных поверхности: с богарных и 41

орошаемых сельскохозяйственных полей; с болот; с поверхности занятой полупогруженной в воде растительностью (рисовые плантации). В зависимости от вида испаряющей поверхности конструкции испарителей и методы измерений бывают различными. Конструктивная сходность всех испарителей – водонепроницаемый сосуд, т.е. нет водообмена монолита почвы в сосуде (емкости) с нижележащим и окружающим грунтом. Уравнение водного баланса монолита почвы в испарителе имеет вид: X+M–E±ΔWh–Іh=0,

(25)

где ΔWh=(Wh-Whк) – изменение влагозапасов в монолите почвы; Іһ – инфильтрация за пределы монолита. Наибольшее применение нашли испарители весовые и гидравлические, разработанные в ГГИ. Весовые – ГГИ-500-50 и ГГИ-500-100. Гидравлические: большой модели (площадь монолита 5 м2, высотой 2 м). На орошаемых землях испарители ГГИ-500-100 (50) неприменимы по двум главным причинам: - на орошаемых землях наблюдаются неглубокое залегание грунтовых вод, а испарители исключают вертикальный влагообмен; - в условьях орошения испаряющая площадь 500 см2 недостаточна для нормального произрастания растений (колосовых культур). Для изучения испарения с риса впервые использован В.Б. Зайцевым (1930 г., испаряющая площадь 1000-2000 см2). В принципе действия он схож с испарителем с водной поверхности ГГИ-3000, разность только в методе измерений (отсутствие бюретки в первом). С.И. Харченко на рисовых системах применил испаритель с измерительной бюреткой, площадь 2000-3000 см2. Точность измерения с бюреткой составляет 0,1 мм. Точность измерения для почвенных испарителей составляет 10-15 %, для испарителей с рисом – 10 %. Все испарители могут 42

использоваться не только для определения испарения, но и величины транспирации. Метод определения испарения и инфильтрации лизиметрами Лизиметр представляет собой устройство, в котором заключается элементарный участок зоны аэрации в натуральном масштабе по глубине и с моделью водоносного слоя, что обеспечивает возможность вертикального влагообмена в монолите. Метод лизиметров пригоден для изучения испарения, расхода грунтовых вод в зону аэрации, пополнения запасов грунтовых вод за счет инфильтрации. Испаряющая площадь лизиметров находится в зависимости от вида сельскохозяйственных растений, но даже для одного вида растения различными авторами предлагается различная площадь испаряющей поверхности, т.е. пока в этом вопросе нет единого мнения. Уравнение водного баланса монолита лизиметра выглядит следующим образом: X+M–E±ΔWһ±ΔUГР=0

(26)

В настоящее время самым распространенным прибором (лизиметром) является ГР-80, высота монолита здесь изменяется от 1,0 до 2,5, через каждые 0,5 м. Уровень грунтовых вод поддерживается const. т.е. получают зависимость Е=f (Hгр.в). б) Метод теплового баланса. Уравнение теплового баланса для деятельной поверхности и для летнего периода имеет вид: R=P+B+V.

(27)

Здесь Е определяется как остаточный член уравнения теплового баланса, т.е. E

RPB , L

(28)

где Е – величина испарения; R – радиационный баланс деятельной поверхности; Р – поток тепла в почве (воде); В – турбулент43

ный поток тепла в приземном слое атмосферы; L – скрытая теплота испарения; V – затраты тепла на испарение, V= L·E. В конечном итоге формула для расчета испарения с деятельной поверхности по методу теплового баланса имеет вид: E

RP , t   60  1  0 ,64  e  

(29)

где t – выражает отношение градиентов затрат тепла на e испарение к градиентам затрат на турбулентный отток влаги в атмосферу в слоях 0,5 и 2,0 м от поверхности. в) Расчетные эмпирические методы Несмотря на большое количество пунктов наблюдений за суммарным испарением с сельскохозяйственных полей, все же невозможно измерить этот элемент на большей части сельскохозяйственных полей. Это касается определения испарения, как по уравнению водного баланса, так и в первую очередь методом теплового баланса. Поэтому, в настоящее время, широко используются расчетные методы, позволяющие определять с достаточной степенью точности суммарное испарение в зависимости от основных метеофакторов, наблюдаемых на массовой сети. Начало таким расчетам было положены Э.М. Ольдекопом. В последующим появились графики П.С. Кузина, Б.В. Полякова для определения месячных норм суммарного испарения. М.И. Будыко и В.С. Мезенцев построили схемы расчета испарения, основанные на уравнении связи между элементами теплового и водного балансов. Наиболее ранними проработками для расчета испарения с сельскохозяйственных полей являются работы А.Н. Костякова, по которому: Е = А · У,

(30)

где У – урожайность культуры; А – коэффициент водопотребления данной культуры. 44

И.А. Шаров для определения испарения хлопчатника рекомендует формулу: Е = 2Σt + 4B,

(31)

  где Σt – сумма среднесуточных температур за вегетацию; В – число дней вегетационного периода. Э.А. Штойко при расчете испарения за основу принял температуру и относительную влажность воздуха:  0,1Tc  r  E  ΣT   ,  100 

(32)

где ΣT – сумма среднесуточных температур за расчетный период; Tc – среднесуточная температура за тот же период; r – средняя относительная влажность воздуха за тот же период. А.М. Алпатьев для испарения сельскохозяйственных культур рекомендует биологические коэффициенты культуры: E  Kб  d,

(33)

где Σd – сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за расчетный период; Кб – биологический коэффициент культуры. Интересный метод был предложен В.С. Мезенцевым, по которому: E   X  WН  W К  1   E0   ЕО 

  

n

  



1 n

,

(34)

где E0 – испаряемость; WH и WK – влажность почвы на начало и конец расчетного периода; X – осадки; n – параметр. Широкое применение нашел комплексный метод М.И. Будыко, основанный на анализе водного и теплового балансов:

45

E  E0 

W1  W2  2W0

при

W1  W 2   W

Е = E0, при W 1  W 2

0

2

2

 W0

,

, (35)

где W1 и W2 – влагозапасы в метровом слое почвы в начале и в конце месяца; W0 – критические влагозапасы в метровом слое, при котором и выше E=E0. Тепловоднобалансовый метод расчета испарения предложен С.И. Харченко, который позволяет определять испарение за месячные и межфазные периоды. E  βE0

W1  W2  , 2γ

(36)

где W1 и W2 – продуктивные влагозапасы в метровом слое почвы на начало и конец месяцы; E0 определяется по формуле

Е0



R 0  P 0  L

(37)

R0 и P0 – радиационный баланс и теплопоток в почве при достаточно увлажненной поверхности; L – скрытая теплота испарения; γ – пористость почвы; β – параметр, характеризующий угловой коэффициент наклона линии связи α=f(W1+W2)/2γ; α – коэффициент суммарного испарения, α =E/E0. При достаточном увлажнении почвы (рисовые чеки) уравнение имеет вид: Е = β · E0

(38)

где β=α. Широкое применение в мелиорации нашли формулы Н.Н. Иванова и А.Р. Константинова.

46

Формула Н.Н. Иванова разработана для расчета E0 водной поверхности: Eo 

α 25  t  , 2

(39)

555

где α и t – соответственно среднемесячные относительная влажность и температура воздуха. Формула А.Р. Константинова: E EE  И 0 EОП

(40)

где ЕИ и EОП – испарение и испаряемость с орошаемых земель. Применительно к рисовым системам Южного Прибалкашья М.Х. Сарсенбаевым предложена следующая формула Е = E0 · К0 · Кб,

(41)

где К0 – микроклиматический коэффициент для рисовой системы; Кб – биологический коэффициент для риса, который определяется по связи Кб=f(Ур), где Ур – урожайность риса. В связи с тем, что на Каратальской системе произрастает большое количество тростниковой растительности, которая является одним из основных потребителей оросительной воды, М.Х. Сарсенбаев разработал формулу для расчета водопотребления тростника: E тр  0,02  У 0,91  К Г тр

 43,9exp 

0,075  t 

,

(42)

где Утр – биомасса тростника; Кг – коэффициент, учитывающий глубину залегания грунтовых вод; t – среднемесячная температура воздуха над тростником; в квадратных скобках сумма за вегетацию.

47

Применительно к рисовым системам в СНГ также используется метод американских ученых Блейки-Кридла, формула которых имеет вид: E=0,458 · k · ΣP(t+17,8) мм, (43) где k – коэффициент культуры (для риса 1,2); P – доля продолжительности дневных часов в данном месяце от годовой суммы; t – среднемесячная температура воздуха. 3.2.4 Процессы влагообмена в зоне аэрации Почвогрунты зоны аэрации представляют собой сложную пористую среду, в которой происходит целый комплекс взаимосвязанных процессов. Движение влаги является одним из сложнейших в этом комплексе. Движение подземных вод в зоне аэрации происходит под влиянием молекулярных (сорбционных), капиллярных и гравитационных сил. Отсюда и виды движения влаги в зоне аэрации обычно подразделяют на парообразное, пленочное, капиллярное и гравитационное. Движение влаги может происходить как в насыщенной, так и в ненасыщенной влагой почве. При этом происходят процессы впитывания влаги в почву, инфильтрация и пополнение грунтовых вод, капиллярный подъем влаги, передвижение влаги под влиянием температурного градиента. Движение влаги в насыщенной среде описывается уровнем Дарси (рисунок 5) , по которому h Q  F K , l

(44)

где Q – количество воды, протекающее в единицу времени через данное поперечное сечение породы площадью F, м3/с; K – величина, называемая коэффициентом водопроводности или фильтрации; h – напор; l – длина фильтрационного потока, м. Величина напора h определяется по разности уровней в двух сечениях потока, т.е. h=H1-H2, где H1 и H2 – высота уровней в 48

точках А и В. Под влиянием напора Н1 вода из сечения АА1 передвигается в направлении сечения ВВ1. Отношение h/l – есть падение напора на единицу длины пути фильтрации, т.е. гидравлический уклон: i=h/l.

Рисунок 5

Разделив обе части равенства (44) на площадь F получим: V k

h  k  i, l

(45)

где V – скорость фильтрации. Формула Дарси показало, что для насыщенной почвы существует зависимость k=f(W), где W – влажность почвы. На данную связь существенное влияние оказывают воднофизические свойства почвы. Установлено, что при одной и той же влажности почвы с увеличением объемного веса почвы уменьшается ее влагопроводность. В мелиоративной гидрологии выделяют почвенно-грунтовой толще восходящий поток влаги (расход грунтовых вод в зону аэрации – К) и нисходящий поток влаги (пополнение запасов грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и оросительных вод – J) (рисунок 6).

49

Рисунок 6. Восходящий и нисходящий поток влаги

а) Расход грунтовых вод в зону аэрации – К Исследования на мелиоративных сельхоз полях показали, что скорость передвижения и расход воды в зону аэрации находится в зависимости от высоты капиллярного поднятия (зона капиллярного поднятия начинается с уровня грунтовых вод). Влагообмен между деятельным слоем почвы и капиллярной зоной при глубоком залегании грунтовых вод происходит как путем парообразования, так и пленочным путем. Причем этот влагообмен не велик и не превышает 0,1-0,2 мм/сут. Таким образом, при глубоком залегании грунтовых вод расход их на испарение практически отсутствует. При неглубоком залегании грунтовых вод капиллярная зона вклинивается в деятельный слой почвы, а при высоком стоянии грунтовых вод может подняться даже до поверхности почвы. Чем выше уровень грунтовых вод, тем обильнее подпитывается капиллярной влагой деятельный слой почвы и тем больше расход грунтовых вод на испарение. И в случае естественной засоленности почво-грунтов начинается перемещение солей в корнеобитаемую зону, т.е. развиваются процессы вторичного засоления. Кроме того, в случае, когда зона аэрации по высоте оказывается равной или меньше деятельного слоя 50

почвы (т.е. когда уровень грунтовых вод залегает близко к поверхности почвы, будет происходить подтопление корневой системы растений (вымокание), что, в свою очередь, приводит к значительному угнетению, а иногда и к гибели растений. С другой стороны, величина расхода грунтовых вод зависит от характеристик водного и теплового балансов: K

RPB  X  M  M C  ΔWH  J . L

(46)

Таким образом, из всего сказанного выше можно сделать выводы: - процесс влагообмена в зоне аэрации весьма сложен и зависит от инфильтрации, испарения с почвы и транспирации растений, передвижения парообразной, пленочной и капиллярной влаги под воздействием термического градиента и капиллярной влаги; - интенсивность отмеченных процессов в свою очередь определяется тепловым балансом поверхности и ее термическим режимом, а также водно-физическими свойствами почвогрунтов в зоне аэрации, биологическими особенностями растений и т.д. С. Аверьянов для учета грунтовых вод (испарения) в зону аэрации предложил следующую формулу:  H  K  E0  1   H kp   

n

,

(47)

где Нкр – критическая глубина залегания грунтовых вод, при которой начинатся испарение; n – показатель степени (изменяется от 1 до 2). Для определения Нкр В.А. Ковда рекомендовал уравнение: Нкр = 170 + 8·t, где t – среднегодовая температура воздуха, ºС. 51

(48)

С.И. Харченко для расчета величин расхода грунтовых вод в зону аэрации предложил следующую формулу: K = E0 · e-m·H = 16,7 · R · e-m·H,

(49)

где е – основание натуральных логарифмов; R – радиационный баланс; m – параметр, зависящий о фаз развития растений и водно-физических свойств почвы; Н – глубина залегания грунтовых вод. В.В. Рогоцкий предложил графическую зависимость типа: K = f (ΔW, dХ, H),

(50)

где ΔW – изменение влагозапасов; dx – недостаток или избыток влаги, вычисляемый как разность dx=Х – Е. б) Инфильтрационное питание (пополнение запасов) грунтовых вод – I В настоящее время величину I можно измерять только в монолите лизиметра. Однако распространение таких данных на сельскохозяйственные поля не рекомендуется ввиду их нерепрезентативности. Поэтому для определения осредненных величин I на сельскохозяйственных полях обычно используют уравнение водного баланса. В инфильтрационной теории выделяют три стадии движения влаги: впитывание, перераспределение ее в зоне аэрации и просачивание (фильтрация). Для описания процесса инфильтрации обычно используют уравнение баланса влаги в почве и видоизмененное уравнение Дарси. В гидрологии для оценки питания грунтовых вод за счет суммарных потоков влаги применяется следующее уравнение: μ  ΔH ΔQ   I, Δt F

(51)

где ΔН = Нн – Нк – изменение уровня грунтовых вод за период Δt; μ – коэффициент водоподачи (или насыщения), водоотдача равна разности между полной и наименьшей влагоемкостью, 52

недостаток насыщения равен разности между полной влагоемкостью и фактической влажностью; Ғ – площадь расчетного элемента потока; ΔQ – разность притока грунтовых вод и их оттока; I – инфильтрационное питание грунтовых вод. Кроме этого используют уравнение водного баланса грунтовых вод: J = -ΔUгр + Уг - Уп.г. + К,

(52)

где (Уг–Уп.г.) – определяют по данным гидрогеологияческих наблюдений; и -ΔUгр=10 μ ΔН. В целом величина I зависит от глубины залегания грунтовых вод на орошаемых полях – от условий полива (режима орошения). Так исследования показали, что для условий Южного Казахстана на хлопковых полях величина I составляет 30-40 % от объема водоподачи, а рисовых полях – 25–35 %. Вместе с тем, на полях, занятых суходельными культурами, величина I растет с понижением уровня грунтовых вод, а также с ростом поливных норм (рисунок 7).

Рисунок 7. Зависимость инфильтрации от уровня грунтовых вод

Следует отметить, что самое большое питание грунтовых вод поливными водами наблюдается при влагозарядковых и ранних вегетационных поливах, когда I может достигать почти 70 % от объема водоподачи.

53

4. ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДЛЯ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИИ 4.1 Основы гидролого-климатических оценок естественной влагообеспеченности территории Одним из наиболее распространенных методов учета климатических и гидрологических условий в сельско-хозяйственном производстве является районирование климатических характеристик. В.В. Докучаев установил, что расположение географических зон в значительной степени определяется климатическими факторами и, в частности, соотношением осадков над возможным испарением. Вслед за В.В. Докучаевым агроклиматическим районированием занимались Г.Т. Селянинов, М.И. Будыко и другие. В последующем данному вопросу были посвящены работы Д.И. Шашко, В.С. Мезенцева и С.И. Харченко. В основе агроклиматического районирования Г.Т. Селянинов использовал так называемый гидротермический коэффициент (см. уравнение 7). Широкое применение для агроклиматического районирования нашла работа Д.И. Шашко. В основе такого районирования положен показатель атмосферного увлажнения и теплообеспеченности территории. За показатель атмосферного увлажнения принято отношение среднемноголетней величины годовых осадков к среднемноголетнему дефициту влажности воздуха, характеризующую условную испаряемость. За показатель теплообеспеченности принята сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С за теплый период. 54

Следует отметить, что за климатический коэффициент увлажнения через отношение атмосферных осадков к характеристике испарения (дефицита влажности) в свое время принимали: за рубежом – Майер, Прескотт; в СССР – П.С. Кузин. Н.Н. Иванов. KX 

X , f d 

(53)

Различия в их предложениях в суммах d, которые берутся за различные интервалы времени. У вышеназванных авторов расчеты производятся для среднемноголетнего периода и являются лишь общей характеристикой атмосферного увлажнения территории. Поэтому они не дают полного представления о состоянии и динамике влагообеспеченности по годам и внутри сезона в период вегетации. Применительно к орошаемому земледелию данные методы не могут использоваться для определения оросительных норм и режима орошения. В связи с изложенным появились новые методы оценки влагообеспеченности. Так, Н.В. Бова для районирования территории юго-востока ЕТС применил коэффициент, представляющий собой отношение суммы весенних продуктивных влагозапасов в метровом слое и количества осадков за весенне-летний период к сумме температур воздуха выше 10°С. K

WX ,  t  10C 

(54)

М.И. Будыко в качестве показателя условий естественного увлажнения к теплообеспеченности предложил соотношение годового радиационного баланса R к количеству тепла, необходимому для превращения в пар годовой суммы атмосферных осадков, которое он охарактеризовал как радиационный индекс сухости: K

R , L X

(55)

где L·X – затраты тепла на испарение атмосферных осадков. 55

В.С. Мезенцев для гидролого-климатического районирования территории Западной Сибири использовал коэффициент, являющийся сочетанием тепла и влаги.

β XZ 

βX , βZ

(56)

где βХ – коэффициент влаги, βХ = Х/Ео; βZ – коэффициент тепла, βZ = Е/Ео. А.М. Алпатьев предложил оценивать влаго-обеспеченность по дефициту водного баланса, вычисляемого по уравнению

M = a ·Σd – γ · X – Г,

(57)

где а – средний коэффициент суммарного испарения для различных сельскохозяйственных культур; d – сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за расчетный период; Х – осадки за тот же период; γ – коэффициент использования осадков; Г – подпитывание за счет грунтовых вод. Следует отметить, что формула (58) лишь косвенно отражает состояние увлажнения почвы, не учет которого, как показывает расчеты, сильно завышают величину М, т.е. занижают влагообеспеченность территории . В общем, в качестве критерия естественной влагообеспеченности сельскохозяйственных полей принимается отношение фактического расхода влаги к потребности растений во влаге: K 

W H  W K  X  , E  E  W H   W K   X  

(58)

где знак ′ – параметры, соответствующие влажным годам. Основным недостатком проведенных критериев влагообеспеченности являются не учет ими влагообмена в зоне аэрации и, в частности, подпитывания за счет грунтовых вод, влажности почвы, инфильтрации влаги за пределы корнеобитаемого слоя почвы и поверхностный сток. Поэтому, отмеченные методы, не дают удовлетворительного представления о влагообеспечен56

ности сельскохозяйственных культур в конкретные сезоны и более короткие промежутки времени. Таким образом, для наиболее надежной оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных культур необходимо учитывать водный баланс корнеобитаемого слоя почвы. Следует отметить, что чем короче расчетные промежутки времени, тем сущеественную роль играет влагообмен в формировании водного баланса зоны аэрации и влагообеспеченности корнеобитаемого слоя почвы, особенно при неглубоком залегании грунтовых вод. Следовательно, при определении влагообеспеченности сельскохозяйственных культур требуется учитывать не только влажность почвы и осадки, но и влагообмен в зоне аэрации, т.е. выполнять расчет водного баланса корнеобитаемого слоя. Учитывая вышесказанное, С.И. Харченко предложил новую комплексную характеристику – недостаток (дефицит) водопотребления сельскохозяйственных культур, которая основана на использовании уравнения водного баланса зоны аэрации для условий фактического и оптимального увлажнения почвы. Он рекомендует использовать данную характеристику для оценки обеспеченности влагой и теплом корнеобитаемого слоя за счет основных источников тепла и влаги. 4.2 Теоретическая схема недостатка (дефицита) водопотребления сельскохозяйственных культур по С.И. Харченко Уравнение водного баланса зоны аэрации сельскохозяйственного поля для условий фактического увлажнения при естественном режиме осадков и стока для летнего периода имеет следующий вид:

X + YПП – YП – E + WН – WК + ΔUПОН + K – J = 0.

(59)

Для оптимального увлажнения почвы, при котором возможно получение наиболее высоких урожаев, уравнение (59) можно записать следующим образом:

X + М + YПП – YП – EОП + WН – WК + ΔUПОН + K – J = 0. (60) 57

Решив уравнение (59) и (60) относительного фактического Е и оптимального испарения Еоп и разделив уравнение (59) на уравнение (61) получим:

η

E , E ОП

(61)

где η – коэффициент суммарного испарения или влагообеспеченности, которое выражает количество влаги, используемое растениями фактически. Величина дополнения до единицы коэффициента водопотребления, равная (1–η), представляет собой недостаток водопотребления, выраженная в долях от величины оптимального испарения ЕОП:

1 η  1

 X  YПП  YП  WH  WK  ΔU ПОН  K  J  . EОП

(62)

Отсюда недостаток водопотребления получаем в следующем виде:

dE = (1 – η) · Eоп мм.

(63)

Таким образом, дефицит водопотребления сельскохозяйственных культур выражает недостаток влаги в корнеобитаемом слое на сельскохозяйственном поле в целом, имея в виду расход воды на транспирацию и испарение с почвы. Применительно к условиям орошаемого земледелия на практике встречаются некоторые особенности недостатков или избытков водопотребления. 1. При WН ≥ WНВ и WК ≥ WНВ, что выражает условие районов избыточного увлажнения (здесь WНВ – наименьшая полевая влагоемкость) – можно принять: Е = Еоп, а dE = 0. 2. При WН и WК < WНО (здесь WНО – нижний предел оптимальных влагозапасов в почве) имеем dE = Еоп – Х или при Х=0, dE = Еоп – такое соотношение на рисе. Подобные условия обычно встречаются в пустынных или полупустынных районах. 58

3. В природе чаще всего встречаются промежуточные условия увлажнения почвы: WН > WНВ и WНО < WК < WНВ, в этом случае ΔW = WНВ – WК, а dE = Еоп – Е. 4. WНВ ≥ WН ≥ WНО и WНВ ≥ WК ≥ WНО. В этом случае dE = (1 – η) Еоп. С.И. Харченко построил карту изолиний средне-многолетних величин dЕ для различных сельско-хозяйственных культур по основным районам земледельческой зоны территории бывшего СССР. Анализ нанесенных на карту изолиний dE показал, что они закономерно изменяются в широтном направлении и соответствуют зональному распределению почво-грунтов и климатических характеристик. С севера и северо-запада на юг и юго-восток значения dE закономерно увеличиваются. Зональность распределения dE нарушается лишь в предгорных районах Северного Кавказа, где выпадает повышенное количество осадков и в Поволжье, где часты притоки воздушных масс с суховеями. По признаку недостатков водопотребления сельскохозяйственных культур С.И. Харченко территорию земледельческой зоны бывшего СССР разделил на две крупные зоны: область достаточного увлажнения и область недостаточного увлажнения. В области достаточного увлажнения расположенная лесная зона, в области недостаточного увлажнения – лесостепная, степная, полупустынная и пустынная. Величины dE для зерновых культур в средне-сухой год 25 % обеспеченности распределяются по зонам следующим образом: лесная зона – 600-1000 м3/га; лесостепная зона – 1500-2500 м3/га; полупустынная и пустынная зоны – до 7000 м3/га. Причем выбор расчетной обеспеченности dE производится на основе в соответствии с водообеспеченностью орошаемой территории. Недостаток заданной обеспеченности dEР определяются по формуле:

dEp = dE (1 – Сv·P),

59

(64)

где dE – среднемноголетняя величина недостатка водопотребления; Сv – коэффициент вариации; Р – обеспеченность в долях от единицы. По величине недостатка водопотребления заданной обеспеченности можно определить оросительную норму или объем воды, который необходимо подать на сельскохозяйственные поля (без учета потерь в оросительных каналах) для обеспечения оптимального увлажнения почвы:

М = dEр · F.

(65)

где F – площадь орошаемого поля. 4.3 Водно-солевой баланс орошаемых земель Изменение водного баланса и влагообмена в зоне аэрации под воздействием орошения приводят к коренным преобразованиям солевого баланса сельскохозяйственных полей и массивов. При этом довольно часто возникают неблагоприятные явления – заболачивание, вторичное засоление сельскохозяйственных полей и, отсюда как следствие, резкое снижение урожаев, а иногда полное выпадение целых угодий из севооборота (пример Каратальская система). Это в свою очередь приводит к повышению минерализации возвратных вод (особенно при промывках), поступающих в водоприемники, т.е. в реки, что повышает минерализацию речных вод. Поэтому, в настоящий период, актуальным вопросом является правильное регулирование и прогнозирование химического режима почв и воды. Элементы водного и солевого режима верхнего и деятельного горизонта почво-грунтов находятся в такой взаимосвязи. В естественных условиях химический режим почво-грунтов в основном стабилизирован. При орошении возникают дополнительные нисходящие потоки влаги, которые вымывают соли корнеобитаемого слоя в грунтовые воды. Преобладание такого потока над восходящим приводит к накоплению, как солей так и объема грунтовых вод. Последнее способствует подъему грунтовых вод, что в дальнейшем вызывает усиление восходящего потока влаги и солей, а затем и засолению верхнего слоя почвы. 60

При хорошей естественной и искусственной дренированности инфильтрационное питание практический не влияет на уровенный режим грунтовых вод, т.к. увеличивается их горизонтальный отток, что способствует рассолению почв и выносу солей за пределы сельскохозяйственных полей. Поэтому обычное передвижение воды и солей принято рассматривать совместно. При этом важно учитывать водносолевой баланс, как зоны аэрации, так и водоносного слоя одновременно. Конечной целью составления водных и солевых балансов является прогноз режима накопления или убыли влаги и солей, способствующих либо заболачиванию и засолению почв, либо их осушению и рассолению. Основные принципы исследования водно-солевого баланса были сформулированы еще А.Н. Костяковым. В дальнейшем солевым режимом почв занимались А.А. Роде, С.Ф. Аверьянов, В.Р. Волобуев, В.А. Ковда, Д.М. Кац и др. В частности, В.А. Ковда рекомендует уравнение солевого баланса почв в следующем виде:

ΔS = SZ + (SПГ – SОГ) + SПО + SПА – SВ,

(66)

где ΔS – изменение суммарного запаса солей; SZ – суммарный запас солей в начале балансового периода; SПГ – поступление солей от грунтовых вод; SОГ – вынос солей в грунтовые воды; SПО – поступление солей с оросительными водами; SПА – поступление солей из атмосферы; SВ – вынос солей с урожаем растений. Д.М. Кац в своих расчетах использует выражение:

S2 – S1 = S3 + S4 + S5 + S6 + S7 – S8 – S9,

(67)

где S2 и S1 – содержание солей в почво-грунтах и грунтовых водах для балансового слоя в начале и конце расчетного периода; S3 – поступление солей с атмосферными осадками; S4 – поступление солей с оросительной водой; S5 – поступление солей в результате приноса ветром; S6 – поступление солей с удобрениями; S7 – поступление солей из грунтовых вод; S8 – вынос солей в грунтовые воды; S9 – вынос солей с урожаем растений. 61

Рассмотренные уравнения (66) и (67) учитывают элементы солевого баланса лишь для частных случаев. На практике чаще всего используются общие уравнения водно-солевого баланса для слоя от поверхности почвы до водоупора, для зоны аэрации, для водоносного слоя. Эти уравнения выглядят следующим образом: а) для толщи почво-грунтов от поверхности до водоупора:

ΔS = SX+SМ +SУПП+SУПГ+SУД–SСБ–SУР–SУП–SУГ.

(68)

б) для зоны аэрации:

ΔSА = SX+SМ+SУПП+SУД+SК–SСБ–SУР–SУ–SУП.

(69)

в) для водоносного слоя:

ΔSИ = SУПГ + SУГ + SУ – SК,

(70)

где ΔS, ΔSА, ΔSИ – соответственно изменение запасов солей в слое от поверхности почвы до водоупора, в зоне аэрации, в водоносном слое; SX, SМ – поступление солей с атмосферными осадками и оросительными водами; SУПП, SУПГ – поступление солей с естественными поверхностными и грунтовыми водами; SУД – поступление солей с удобрениями; SУП, SУГ, SСБ – вынос солей с естественными поверхностными, грунтовыми и сбросными водами; SУР – расход солей на формирование урожая; SУ – вынос солей из зоны аэрации в грунтовые воды; SК – поступление солей в зону аэрации от грунтовых вод. Существенным недостатком метода водно-солевого баланса является длительность и трудоемкость наблюдений за элементами баланса. На практике чаще всего возникает необходимость быстрого ответа на вопрос об ожидаемых процессах засоления или рассоления земель. Поэтому в последние годы стали развиваться методы прогнозирования накопления – убыли и распределения солей в почво-грунтах на основе математического моделирования в соответствии с теорией физико-химической гидродинамики пористых сред. 62

Перемещение солей в среде происходит под влиянием ряда физико-химических процессов: фильтрации, конвективной или фильтрационной диффузии, выщелачивания или растворения солей твердой фазы, обменных реакций и т.д. Роль каждого из перечисленных процессов в формировании химического состава грунтовых вод зависит от конкретных природных условий и режима орошения. В частности, исследования солевого режима на рисовых системах Казахстана показали, что солевой баланс в них формируется в основном за счет солей оросительных вод, восходящего движения грунтовых вод и выноса солей по коллекторнодренажной сети. Поступление солей с атмосферными осадками и удобрениями, хотя и играет определенную роль в общем солевом балансе, в рассматриваемых случаях имеет ограниченное значение. Таким образом, степень изменения содержания солей в почве орошаемых земель зависит от конкретных природнохозяйственных условий: исходного засоления, механического состава почв, режима грунтовых вод, характера использования земли и т.п. При этом, в одни периоды и годы солевой баланс массивов складываются по типу рассоления, а в другие по типу засоления. 4.4 Возвратный сток с оросительных систем Использование речных вод на орошении приводит к дополнительным затратам, т.е. к безвозвратным потерям водных ресурсов. Поэтому расширение масштабов орошения, естественно, может привести к существенному уменьшению речного стока. В связи с этим представляют большой интерес исследования стока возвратных вод с орошаемых земель, а также выяснение причин и степени изменения естественного стока под воздействием изъятия воды на орошения. По мнению С.И. Харченко представление о возможных изменениях речного стока можно получить на основании сравнения его величин и факторов формирования стока неорошаемых и орошаемых земель. 63

Сток с орошаемых полей складывается из 4 источников: 1) дренажа естественных грунтовых вод; 2) стока атмосферных вод; 3) дренажа орошаемых вод (за счет фильтрации оросительных вод на полях и в каналах); 4) поверхностного стока оросительных вод с орошаемых полей. Возвратными водами считаются только ту составляющую стока с орошаемых полей, которая достигает водоприемника и может быть использована для хозяйственных целей. Такой подход в оценке возвратных вод позволяет обоснованно определять КПИ (коэффициент полезного использования) воды и степень возобновляемости водных ресурсов за счет возврата частей стока. Несмотря на то, что изучению возвратных вод посвящено немало исследований, тем не менее, в вопросе количественной оценки возвратных вод встречаются самые противоречивые сведения. Так, по мнению В.Л. Шульца, возвратные воды с орошаемых земель межгорных котловин (Ферганской, Зеравшанской, Чуйской и т.п.) составляет 15-30 % водозабора. В.П. Светицкий для Ферганы объем возвратных вод принимает равных 43 % водозабора, по другим источникам 40 %. Л.В. Дунин–Барковский указывает, что сток рек в бассейнах с развитым орошением, несмотря на возрастание водозабора, практически не меняется. Т.е он допускает, что водозабор по объему равен возвратным водам. В тоже время при составлении водно-хозяйственных балансов бассейнов рек Сырдарьи и Амударьи в одном случае, по мнению одних авторов, объем возвратных вод принимался равным 11-15 % водозабора, в другом случае, по мнению некоторых авторов, 50-60 %. Одной из главных причин такой разноречивости в оценке объема возвратных вод является отсутствие единой теории их формирования и приема количественного определения. Возвратные воды состоят из двух составляющих: ирригационно-поверхностной и ирригационно-грунтовой. Поверхностный сток оросительных вод достаточно надежно может быть определен гидрометрическим способом. Для этого оборудуются гидрометрические створы в местах сброса излишков оросительных вод с орошаемых земель. При отсутствии гидрометрических наблюдений поверхностный сток с 64

орошаемых полей можно определить по формуле С.И.Харченко, основанный на зависимости влагопроводности почвы от ее насыщенности влагой:   d Y  X 1   W   γ 

  

z ,  

(71)

где dW – дефицит влажности верхнего слоя почво-грунтов; γ = Whп.в. – Whп.г – пористость верхнего слоя почво-грунтов; Whп.в. – полная полевая влагоемкость; Whп.г – максимальная гигроскопичность почвы; z – параметр, равный 1,1 – 1,2. Ирригационно-грунтовая составляющая возвратных вод не поддается прямому измерению. Существуют два способа его определения. Первый основан на общем уравнении водного баланса с учетом аккумуляции влаги на поверхности, в зоне аэрации. Второй вытекает из уравнения водного баланса водоносного слоя с учетом элементов влагообмен в зоне аэрации. В обоих случаях грунтовая составляющая возвратных вод определяются по разности грунтового стока с территории или полей в период орошения и до периода орошения. Согласно первому способу грунтовый сток с орошаемых и неорошаемых угодий при отсутствии водообмена верхнего водоносного слоя с нижележащими определяется по формулам, вытекающим из общего уравнения водного баланса зоны аэрации (первый способ): а) при наличии орошения

УГ = Х + М + Z0 + УП.Г + УП.П–УП – Е – МСБ+ΔU,

(72)

где УГ – грунтовый сток; Х, М, Z0 – соответственно осадки, оросительная норма, фильтрация в каналах; УП.Г – приток грунтовых вод; УП.П – приток поверхностных вод; УП – сток поверхностных вод; Е – суммарное испарение с орошаемых земель; МСБ – коллекторно-дренажный сброс; ΔU – изменение влагозапасов в зоне аэрации, грунтовых водах и на поверхности почвы; б) при отсутствии орошения 65

УГ′ = Х′ + М′ + У′П.Г + У′П.П – У′П – Е′П + ΔU,

(73)

т.е. это уравнение водного баланса естественного участка до орошения Е′П – суммарное испарение с почвы и естественной растительности. Разность уравнении (72) и (73) равна грунтовой составляющей возвратных вод – ВГ:

ВГ = УГ – У′Г.

(74)

Суммарные возвратные воды ВС с орошаемого контура определяются по уравнению:

ВС = (УГ – У′Г) + МСБ = ВГ + МСБ.

(75)

По второму способу грунтовая составляющая возвратных вод ВГ определяется из уравнения водного баланса водоносного слоя, при условии, что Δq – водообмен верхнего водоносного слоя с нижележащими равен нулю: а) при наличии орошения

УГ = ΔUГР + УП.Г + J – K.

(76)

б) при отсутствии орошения

У′Г = ΔU′ГР + У′П.Г + J′ – K′.

(77)

Отсюда по разности уравнений (76) и (77) получаем ВГ = УГ – У′Г, а суммарные возвратные воды ВС = ВГ + МСБ. Из анализа рассмотренных выше формул (72, 73, 76, 77) следует, что формирование возвратных вод зависит от многих факторов, но наибольшую роль в формировании ВС играют величины водозабора на орошение М, коллекторно-дренажный сброс МСБ и безвозвратные потери, определяемые по разности (Е–Е′). При этом исследователями было установлено, что при мелиорации тугайных зарослей и пойм, испарение с которых значительно выше, чем с орошаемых полей (пример: дельты рек Сырдарьи и Амударьи – испарение с тростниковых затопленных зарослей по некоторым сведениям составляет до 10000 мм за вегетацию), величина возвратных вод может быть равна водозабору. 66

При глубоком залегании грунтовых вод в первый период освоения земель или эксплуатации оросительных систем, когда МСБ практически равна нулю, т.е. идет аккумуляция грунтовых вод, возвратные воды с орошаемых полей могут отсутствовать. Дальнейший подъем и последующая стабилизация уровня грунтовых вод способствуют появлению возвратных вод, объем которых может быть равен объему коллекторного стока, т.е. на формирование ВС оказывают влияние планы водопользования. Важную роль в формировании возвратных вод играет расположение орошаемых систем по отношении к водоприемнику, которым обычно является источник орошения и из которой производится водозабор на орошение. Кроме того, очень важно в этом вопросе соотношение площадей орошаемых и неорошаемых угодий на массивах. Например, в первом случае при значительной удаленности орошаемого массива от водоприемника большая часть стока, а иногда и весь сток поверхностных возвратных вод теряется на фильтрацию и испарение. Во втором случае, большая площадь неорошаемых земель на массиве, т.е. низкий КЗИ системы, способствует значительному растеканию внутрипочвенных и грунтовых вод, что приводит к увеличению безвозвратных потерь, а также к засолению земель неорошаемой части через испарение. Такое явление имеет место на рисовых системах в низовьях рек Иле и Каратал. Большое влияние на формирование возвратных вод оказывает состояние оросительной системы. В случаи наличия дренажа на системе, в процессе эксплуатации системы, происходит резкое снижение уровня грунтовых вод и отток их запасов способствует увеличению возвратных вод. Из приведенного анализа условий формирования возвратных вод видно, что величина возвратных вод на орошаемом массиве или в речном бассейне может быть самой различной в зависимости от геоморфологических, гидрогеологических, почвенных, гидролого-климатических и др. природных условий. Кроме этого формирование возвратных вод в большой степени зависит от состояния оросительной системы и характера использования оросительных вод (план водопользования). 67

Учет возвратных вод может вполне использоваться для планирования поливов нижерасположенных полей, что и производится в настоящее время. Кроме этого, это даст значительную экономию оросительных вод, а рациональное использование последних в совокупности с возвратными водами позволяет, в свою очередь, расширить площади орошаемых полей без заметного увеличения забора воды из источника орошения. При изучении возвратных вод опытные водно-балансовые участки и наблюдательные пункты размещаются с таким расчетом, чтобы обеспечить получение материала для выявления сущности процессов как в данной точке, так и для массива в целом. Экспериментальные исследования экспедиции Государственного гидрологического института в Южном Казахстане показали, что на Таласской оросительной системе (хлопок, сахарная свекла) ВС составили 14 % от водозабора, а на КзылКумской системе (рис) – 65 %. Большой сток с рисовых полей объясняется тем, что рис – влаго и теплолюбивое растение, произрастает в данном случае при слое воды 15-20 см. Кроме того, на рисовых чеках обеспечивается проточность воды, что является дополнительным расходом оросительных вод. Наши исследования на Каратальской и Акдалинской системах показали, что ВС составляет примерно 70 % водоподачи, т.е. результаты вполне сопоставимы с результатами ГГИ на Кзыл-Кумской системе. Необходимо отметить, что возвратные воды, как на рисовых полях, так и на сельскохозяйственных полях с периодическим орошением формируются в основном в вегетационный период. Особенно это явление хорошо прослеживается на рисовых системах. В начале вегетации происходит резкий подъем уровня грунтовых вод и их смыкание с поверхностными за счет фильтрации оросительных вод и заполнения этими водами зоны аэрации. В конце вегетации за счет прекращения водоподачи происходит падение грунтовых вод за счет их сработки в дренажно-коллекторную сеть. Анализ результатов исследований показывает, что сток возвратных вод находится в прямой зависимости от водозабора: чем больше водозабор, тем больше объем возвратных вод. Кроме этого, объем ВС зависит от влагообеспеченности конкретного 68

года. В годы с повышенной увлажненностью, т.е. когда водозабор по объему уменьшается, удельный вес ВС сущеественно снижается и, наоборот, в засушливые годы – увеличивается, т.е. вариация годовых возвратных вод достаточно велика. Вместе с тем, в случае рационального режима орошения и реконструкции оросительных систем объем возвратных вод существенно может уменьшиться: применительно только к рисовым системам объем ВС будет составлять 20-30 % водозабора. Таким образом, возвратные воды представляют собой интегральный результат влияния оросительных мелиораций на водный баланс и водные ресурсы. 4.5 Режим орошения и его расчет при проектировании оросительных мероприятий Режим орошения сельскохозяйственных культур – это совокупность числа, сроков и норм поливов, обеспечивающих необходимый для данной культуры водный режим почвы при конкретных природных и агротехнических условиях. При разработке режима орошения необходимо, прежде всего, установить суммарное водопотребление полем, занятым каждой культурой в отдельности. Основная масса корней сельскохозяйственных растений расположена в верхней половине корнеобитаемого слоя. Часть слоя почвы, в которой расположено до 90 % корней растения, называется активным слоем водопотребления. Глубина активного слоя почвы меняется в зависимости от фенологических фаз развития растения. При этом, вегетационные поливы должны поддерживать необходимую влажность этого слоя. Наиболее интенсивно воду корни растений поглощают при оптимальной влажности почвы. Такая влажность имеет нижним пределом примерно 65-70 % наименьшей влагоемкости. Ниже этой влажности замедляется рост растений и поэтому необходимо производить полив. Водопотребление сельскохозяйственных культур меняется в течение вегетационного периода. Расход почвенной влаги через транспирацию и испарение с поверхности почвы составляет суммарное водопотребление ЕВ. Суммарное водопотребление за период вегетации, приходящееся на 1 центнер продуктивной 69

части урожая называется коэффициентом водопотребления К. Обычно величина К берется по рекомендациям НИИ. Теперь, задаваясь определенной урожайностью, получают величину ЕВ:

ЕВ = K · УР ,

(78)

где УР – урожайность, ц/га. Расчет режима орошения обычно выполняется в следующей последовательности: 1) определяют сроки и продолжительность вегетации культур на орошаемом массиве; 2) оценивают суммарное водопотребление растений за вегетацию и межфазные периоды; 3) устанавливают количество начальных влагозапасов в почве и атмосферных осадков, глубину залегания уровня грунтовых вод; 4) рассчитывают оросительную норму; 5) определяют поливные нормы для различных фаз растений; 6) устанавливают сроки проведения поливов и длительность межполивных периодов; 7) определяют расчетные ординаты гидромодуля. В практике орошаемого земледелия в хозяйстве обычно возделывается не одна, а комплекс культур, составляющих определенный севооборот. Для обеспечения водой всех входящих в севооборот культур строят графики поливов. Эти графики показывают, как изменяются расходы оросительных вод на определенный площади в течении вегетационного периода. Оросительная норма – количество воды, необходимое для полива 1 га за весь период вегетации. Эту величину можно получить из уравнения водного баланса:

МОР = ЕВ – Х – УГ – УП ± ΔW,

(79)

где Х – атмосферные осадки за вегетацию; УГ – объем грунтовых вод, используемый растениями; УП – потери воды при поливах; ΔW – изменение влагозапасов в почво-грунтах. В вегетационный период необходимо производить несколько поливов в зависимости от вида растений, почво-грунтов, метеообстановки. В связи с этим существуют поливные нормы. Поливная норма – количество воды, подаваемое на 1 га за один полив. Для каждого полива норма определяется по формуле:

m = AH (βmax – β0), 70

(80)

где А – скважность слоя почвы в % объема; Н – глубина активного слоя почвы, м; βmax и β0 – влажность почвы до и после почвы в % от скважности. Значения А, Н, βmax и β0 определяются на основе полевых исследований. Сумма поливных норм m должна быть равна оросительной норме:

M0 = Σm.

(81)

Для обеспечения водой всех культур севооборота составляют план и график водопотребления на вегетацию (таблица 1). Таблица 1 График поливов сельскохозяйственных растений № п/п

Культура и % от общей площади

№ поливов

Поливная норма m, м3/га

1

Картофель, 14,3

1 2 3

800 400 400

2

Кукуруза, 28,6

1 2 3

400 600 600

Сроки поливов 11-20/V 18-22/VI 23-30/VII 1-12/VI 22/VI3/VII 7-18/VIII

Поливной Поливной период t, расход сутки Q, л/с 10 5 8

132 132 83

12 12 12

110 165 165

Расход воды для каждого полива вычисляется по формуле: Q  F

M , n

(82)

где F – площадь под данной культурой, га; М – поливная норма, м/га; n – поливной период, сутки. Для того чтобы получить поливной гидромодуль QM в л/с на 1 га: QM 

F  M  1000 F  M  . n  86400 86,4  n

71

(83)

Затем согласно графику водопотребления строят график поливов: по оси абсцисс откладывают сроки каждого полива n, по оси ординат – значения поливного расхода Q. Чтобы не производить арифметических действий со значительными размерами площадей, на практике обычно используют так называемый оросительный гидромодуль. Он вычисляется по формуле: q

aM , 86,4  n

(84)

где q – оросительный гидромодуль; а = F/FC, F – площадь под данной культурой, FC – площадь севооборота. При проектировании оросительных систем для типовых севооборотов рекомендуются использовать значения расчетного гидромодуля qрасч. Отсюда потребный расход воды определяется как:

Qрасч = qрасч · FC

(85)

Размер всей орошаемой площади при проектировании системы определяется в зависимости от объема водохранилища. В этом случае расчеты ведутся по следующей схеме: 1. составляют схему орошаемого севооборота; 2. устанавливают сроки и нормы полива; 3. определяют средние оросительные нормы Мср.нетто и Мср.брутто Отсюда размер орошаемой площади F (га) представляет собой Wn (86) F , M ср.брутто где WП – полезный объем водохранилища.

5. ОСУШИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Осушительные системы – это система инженерных мероприятий, направленных на ускорение отвода избыточного поверхностного или грунтового стока воды и регулирование водного режима почв для повышения плодородия земель и получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, а также наиболее эффективного использования увлажненных территорий и другими отраслями экономики. Последнее широко распространено в Белоруссии, странах Балтики, Нечерноземной полосе России, Сибири и на Дальнем Востоке. 5.1 Осушительные системы Мелиоративные системы по характеру воздействия на водный режим корнеобитаемого слоя подразделяются на два вида: 1) осушительные (одностороннего действия) которые обеспечивают только отвод из корнеобитаемого слоя почвы избыточной влаги; 2) осушительно-увлажнительные (двустороннего действия), обеспечивающие возможность создания и поддержания в корнеобитаемом слое почв оптимального водного режима путем своевременного отвода из него избыточной влаги и подачи в засушливые периоды вегетации воды, необходимой для увлажнения этого слоя. В зависимости от того, каким способом отводятся избыточные воды с осушаемой территории в водоприемник, оросительные системы делятся на: 1) самотечные, когда вода, собираемая осушительной сетью, сбрасывается в водоприемник самотеком; 2) с машинным водоподъемом, когда вода, поступающая из осушительной сети в магистральные каналы, перекачивается в 73

водоприемник насосами; 3) смешанные, когда вода с осушаемой территории в одни периоды года перекачивается в водоприемник насосами, а в другие поступает самотеком. Комплекс инженерных сооружений и устройств для улучшения водного режима переувлажненных земель, называемый осушительной системой, включает: регулирующую сеть, ограждающую сеть, проводящую сеть, водоприемник, гидротехнические сооружения, дорожную сеть, эксплуатационную сеть, природоохранные сооружения и устройства, осушаемые земли (рисунок 8).

Рисунок 8. Схема осушительной системы 1 – водоприемник, 2 – магистральный канал, 3 – устье магистрального канала, 4 – транспортирующий собиратель, 5 – осушители, 6 – нагорный канал, 7 – открытый коллектор, 8 – закрытый коллектор второго порядка, 9 – закрытые дрены, 10 – ловчие каналы.

Регулирующая сеть служит для отбора и отвода с территории избыточных поверхностных и грунтовых вод. Включает в себя закрытые дрены и открытые осушители, скважины вертикального дренажа, собиратели и ложбины. Предназначение ограждающей сети состоит в защите осушаемой территории от притекающих со стороны поверхностных и грунтовых вод. Для этой цели служат нагорные и ловчие каналы, головные дрены, дамбы. Проводящая сеть состоит из магистральных каналов разных порядков, закрытых и открытых коллекторов и др. Она служит для связи регулирующей и ограждающей сети с 74

водоприемниками, транспортировки воды за пределы осушаемой территории в водоприемник. Кстати, на рисовых оросительных системах отвод поверхностных и грунтовых вод осуществляется через открытую коллекторно-дренажную сеть каналов. В качестве «водоприемника» чаще всего выступают реки, озера, балки, замкнутые понижения рельефа и др. Гидротехнические сооружения (перепады, смотровые колодцы, шлюзы и др.) предназначены для управления потоком воды при ее отводе и перераспределении. Дорожная сеть предназначена для транспортирования урожая, собираемого на системе, и проезда сельскохозяйственных машин на осушаемые земли. К числу природоохранных сооружений относятся мостыпереходы для диких животных, ограждения, пляжи, лесополосы, памятники природы и другие объекты. Эксплуатационная сеть включает гидрометрические, агрометеорологические посты, гидрогеолого-мелиоративные створы, производственные, жилые и культурно-бытовые здания и постройки, средства управления и связи и др. Основное назначение этой сети состоит в обеспечении безупречной работы осушительной системы. Осушительные системы бывают открытые (регулирующая сеть состоит из открытых каналов) и закрытые (регулирующая сеть представлена дренами, часть проводящей сети – коллекторами, подземными трубчатыми водоводами). В обоих случаях крупные проводящие и ограждающие каналы устраиваются открытого типа. Открытые системы используют при предварительном осушении болот, лесов и малопродуктивных сенокосов. Недостатки таких систем связаны главным образом с тем, что открытые каналы снижают коэффициент использования земель, требуют постоянного ухода (выкашивание растительности, удаление водорослей и т.д.), создают препятствие для механизации сельскохозяйственных работ. Закрытые системы лишены недостатков открытых систем, однако строительство их требует больших капиталовложений. В зависимости от метода осушения и типа водного питания земель назначают способ осушения на системах (таблица 2). 75

Таблица 2 Способы осушения земель Тип водного питания

Атмосферный

Метод осушения Повышение инфильтрационной способности почв

Понижение уровня грунтовых вод Грунтовый

Перехват грунтовых вод

Кротовый и щелевой дренажи, агромелиоративные мероприятия (глубокое рыхление, глубокая вспашка, рыхлеение подпахотного горизонта, кротование) Каналы (осушители), горизонтальный дренаж, вертикальный дренаж, углубление естественных дрен (реки, ручьи), кольматаж поверхности Ловчие каналы и дрены,

Уменьшение притока грунтовых вод

Грунтовонапорный

Способ осушения

Понижение пьезометрических уровней То же за пределами объекта

Мероприятия по ограничению питания грунтовых вод (борьба с потерями воды в каналах и пр.), биологический дренаж Глубокий горизонтальный (открытый и закрытый) дренаж, вертикальный дренаж Устройство водозаборов подземных вод, мероприятия по ограничению питания напорного водоносного горизонта

5.2 Методы и способы осушения Выбор того или иного метода и способа осушения зависит не только от причины увлажнения и типа водного питания, но и от хозяйственного использования осушаемых земель. В мелиоративной практике широко применяют три метода осушения: 1. ускорение стока воды с поверхности почвы; 2. понижения уровня грунтовых вод;

76

3. ограждение осушаемой территории от подтопления и затопления паводковыми водами со стороны реки и склонов. В зависимости от метода осушения и характера сельскохозяйственного использования проектируют тот или иной способ осушения. В основном осушение осуществляется открытой сетью каналов или горизонтальным дренажом. Наряду с этим применяют также вертикальный дренаж, кротование (кротовый дренаж), агромелиоративные приемы. Практика показало, что при современном сельскохозяйственном производстве только отведение избыточных вод – недостаточно. Водный режим даже осушаемой территории необходимо регулировать при любых погодных условиях: во влажные годы своевременно отводить воду; в засушливые годы при недостатке влаги – искусственно подать воду. Т.е. для получения высоких и устойчивых урожаев, надо строить осушительно-увлажнительные системы. С искусственными водоемами или водохранилищами. Регулирующая сеть должна ускорять поверхностный сток и регулировать режим грунтовых вод в вегетационный период. В соответствии с задачами, которые должна выполнять регулирующая сеть, ее размещают в виде открытых каналов (открытый дренаж) и дрен (закрытый дренаж) на определенных расстояниях и глубине. При предварительных расчета дренажа исходят от механического состава почв и их водных свойств. Обычно значение модулей дренажного стока колеблются для тяжелых почв от 0,3–0,4 л/с га, для легких 0,6–0,7 л/с га. Нормой осушения называют толщину осушенного слоя, расположенного между каналами или дренами. Норма осушения Н зависит от климатических факторов, вида возделываемых культур, свойства почвы, характера агротехники и т.д. Чем влажнее и холоднее климат, чем сильнее уплотнена почва, тем больше должна быть норма осушения. Норма осушения также зависит и от характера сельскохозяйственного использования земель. Глубина закладки регулирующих дрен и каналов, в свою очередь, зависит от нормы осушения и сельскохозяйственного использования земель и поэтому должна быть тем больше, чем 77

больше расстояние между ними. Например, она примерно составляет (в метрах): на лугах – 0,7 – 0,9, на полях – 1,1 – 1,3, в садах – 1,2 – 1,5. В зависимости от конструкции и методов производства строительных работ различают горизонтальный траншейный и кротовый типы дренажа, а также вертикальный тип дренажа. а) Закрытая траншейная горизонтальная дренажная сеть состоит из следующих элементов: траншей и уложенных на дно дренажных трубок – гончарных, бетонных, деревянных, стеклянных, асфальтобетонных, пластмассовых. Раньше вместо трубок траншею заполняли каменной наброской, щебнем, жердями, хворостом и другими материалом. В настоящее время в мелиоративной практике широкое применение получил дренаж из гончарных трубок на минеральных грунтах, а на болотах, для предварительного осушения, – деревянный. Сроки службы траншейного дренажа ориентировочно равны: гончарного 35-50 лет; каменного 20-30 лет; дощатого 2025 лет; жердяного 10-15 лет. Для нормальной работы дрен необходимо, чтобы при пропуске расчетных расходов не было заиления дренажной линий. Минимальная допустимая скорость воды в дренах, проложенных в глинах, должна быть не менее 0,25 м/с, а в тонкозернистых песках (плывунах) – не менее 0,4 м/с. Максимальная допустимая скорость не должна быть более 1 м/с. Расчет диаметров дренажных труб ведут по специальным таблицам. Расход воды, поступивший в коллектор, определяют по формуле:

Q = qдр · F,

(87)

где qдр – модуль дренажного стока; F – площадь осушения, обслуживаемая коллектором. б) Кротовый дренаж представляет собой круглые каналы, похожие на ходы крота. Этот дренаж образуется при протаскивании сквозь толщу грунта металлического цилиндра, называемого дренером. Протаскивание дренера производится специальными кротово-дренажными орудиями. Орудие, производящее 78

кротовый дренаж, называется кротоплугом и состоит из ножа, разрезающего грунт, и дренера, закрепленного к нижней части ножа, продавливающего в грунте кротовый ход – дрену. Диаметр дренера 6-8 см. Обычно кротовые дрены закладываются до глубины 70 см и на расстоянии между собой, на минеральных грунтах, 4-12 м. Большое преимущество кротового дренажа перед траншейным является его большая дешевизна, простота устройства, а также быстрота закладки. Одним из недостатков горизонтального дренажа является его высокая строительная стоимость. Уменьшение стоимости строительства состоит в применении комбинированного дренажа, сущность состоит в том, что кротовый дренаж устраивается учащенно и подводится к траншейному. Это допускает более редкое размещение дренажных линий. Для наблюдения за действием дренажной системы и удаления наносов, приносимого дренажным стоком, устраивают смотровые и отстойные колодцы из бетонных колец диаметром до одного метра. в) Вертикальный дренаж используют при осушении замкнутых пониженных территорий, когда нет возможности построить обычную осушительную систему или нет хорошего водоприемника. Устройство вертикального дренажа состоит в том, что избыточная грунтовая вода через буровые колодцы отводится в водопоглощающие горизонты, лежащие ниже водоупорного слоя. Кроме того, через вертикальный дренаж отводятся и поверхностные воды. В некоторых районах имеет место откачка вод из колодцев и использование их на орошение, в местах, где ощущается нехватка оросительных вод. При неглубоком залегании водопоглощающего слоя обычно закладывают шахтный колодец, небольшой глубины, при глубоком залегании слоя – делают буровую скважину с обсадными трубами.

79

ЛИТЕРАТУРА 1. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель. – Л., Гидрометеоиздат, 1975.-375 с.; 2. Константинов А.Р., Субботин А.С. – Водный и тепловой режим орошаемых полей. Л., изд. ЛПИ, 1979. – 80 с.; 3. Мезенцев В.С. Гидрологические расчеты в мелиоративных целях. – Омск., изд. Омского СХИ, 1982. – 84 с.; 4. Левченко Г.П. Гидрология и сельскохозяйственная мелиорация. – Л., Гидрометеоиздат, 1984. – 248 с. 5. Харченко С.И. Управление водным режимом на мелиорируемых землях в Нечерноземной зоне. - Л., Гидрометеоиздат, 1987. – 314 с. 6. Гонченко Е.Д., Гушля А.В. Гидрология в основами мелиораций. – Л., Гидрометеоиздат, 1989. – 304 с. 7. Сарсенбаев М.Х. Гидролого-экологические проблемы орошения в Южном Прибалхашье (на примере рисовых систем). – Алматы, изд. «Қазақ университеті», 2001. – 199 с.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................... 3 1. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕЛИОРАЦИЙ...................... 5 1.1 Общие сведения ................................................................................... 5 1.2 Рациональное природопользование при гидромелиорациях ........... 7 1.3 Опыт ирригаций и эффективность гидромелиораций ...................... 10 2. ГИДРОЛОГО-КЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ........................................................ 17 2.1 Влияние мелиораций на почву, растения и микроклимат................ 17 2.2 Оросительные системы ....................................................................... 20 2.3 Теоретические основы гидрометеорологического обоснования мелиораций ......................................................................... 23 3. ВОДНЫЙ БАЛАНС ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ................................. 33 3.1 Уравнение водного баланса ................................................................ 33 3.2 Основные элементы водного баланса орошаемых земель ............... 36 3.2.1 Атмосферные осадки ..................................................................... 36 3.2.2 Подача и сброс поверхностного стока ......................................... 37 3.2.3 Суммарное испарение: .................................................................. 40 3.2.4 Процессы влагообмена в зоне аэрации: ...................................... 48 4. ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДЛЯ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ........................................................ 54 4.1 Основы гидролого-климатических оценок естественной влагообеспеченности территории ............................................................ 54 4.2 Теоретическая схема недостатка (дефицита) водопотребления сельскохозяйственных культур по С.И. Харченко ................................. 57 4.3 Водно-солевой баланс орошаемых земель ........................................ 60 4.4 Возвратный сток с оросительных систем .......................................... 63 4.5 Режим орошения и его расчет при проектировании оросительных мероприятий ...................................................................... 69 5 ОСУШИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ........................................................... 73 5.1 Осушительные системы ...................................................................... 73 5.2 Методы и способы осушения ............................................................. 76 ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................... 80

81

Учебное издание

Сарсенбаев Мингаш Харисович МЕЛИОРАТИВНАЯ ГИДРОЛОГИЯ Учебное пособие Выпускающий редактор Г.С. Бекбердиева Компьютерная верстка С. Сарпековой Дизайнер обложки Р. Скаков ИБ №6407 Подписано в печать 24.04.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Объем 5,125 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №514. Издательство «Қазақ университеті» Казахского национального университета им. аль-Фараби. 050040, г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71. КазНУ. Отпечатано в типографии издательства «Қазақ университеті».

82