Экологическая оценка и методы интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых геосистемах в бассейне рек аса-талас
УДК 577.4:631.41:631.67 На правах рукописи
ДЖАЙСАМБЕКОВА РАУШАН АМАНБЕКОВНА
Экологическая оценка и методы интегрированного использования
оросительных и грунтовых вод на орошаемых геосистемах
в бассейне рек Аса-Талас
25.00.36 - Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Тараз 2010
Работа выполнена в ТОО «Казахский научно-исследовательский институт
водного хозяйства»
| Научные руководители: | доктор технических наук Р.К. Бекбаев кандидат сельскохозяйственных наук Е.Д. Жапаркулова |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук А.С. Сейтказиев кандидат технических наук Г.К. Сембина |
| Ведущая организация: | Институт горного дела им. Д.А. Кунаева |
Защита диссертации состоится «25» декабря 2010 г. в 10 00ч.
на заседании диссертационного совета Д 14.13.02 в зале заседаний Ученого совета Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати по адресу: 080000, г.Тараз, ул. Толе би, 60.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати.
Автореферат разослан «24» ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М. Сахы
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Главной причиной ухудшения экологической обстановки на орошаемых экосистемах бассейна рек Аса-Талас является загрязнение водных ресурсов минерализованными грунтовыми и сточными водами, которые поступая на орошаемые земли приводят к засолению и осолонцеванию почв. Поэтому, в сложившейся ситуации на орошаемых системах бассейна рек Аса-Талас, где из года в год возрастает дефицит водных ресурсов, требуется разработка технологии интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод, обеспечивающей защиту водно-земельных ресурсов от загрязнения минерализованными водами и повышение водообеспеченности орошаемых геосистем.
В работе приводятся результаты агроэкологической оценки поверхностных и грунтовых вод, изучения процессов миграции влаги в корнеобитаемом слое при изменении технологии орошения сельскохозяйственных культур в бассейне рек Аса-Талас. На основе экспериментальных данных разработана технология интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах в бассейне рек Аса-Талас, обеспечивающая повышение их экологической устойчивости и водообеспеченности.
Работа выполнялась по программе 042, задание 02.01.08.04.Н4 «Разработать ресурсосберегающие технологии орошения, рассоления орошаемых земель, сельскохозяйственного использования маргинальных вод, сохранение почвенного плодородия и обосновать социально-экономическую эффективность утилизации сточных вод» и «Повышение эффективности технологического и технического обеспечения развития водного хозяйства».
Актуальность проблемы. В условиях Казахстана, где водные ресурсы ограничены, а орошение развивается в различных почвенно-климатических зонах, дальнейшая интенсификация орошаемого земледелия может осуществляться путем разработки экологически безопасных водосберегающих технологий полива, обеспечивающих снижение размеров непроизводительных потерь оросительных вод и защиту водо-земельных ресурсов от загрязнения коллекторно-сбросными водами. Такой подход предопределен тем, что существующие методы управления водными ресурсами приводят к большим потерям оросительных вод на инфильтрацию, сброс и испарение, размеры которых достигают 60-70% от водозабора. В результате этого на многих орошаемых геосистемах произошло увеличение темпов засоления, осолонцевание и ощелачивание почв а также рост минерализации и ухудшение качества воды. Нарушение экологического равновесия, сложившегося в 90-е годы прошедшего века, привело к снижению урожайности сельскохозяйственных культур в 1,5-2 раза.
В сложившейся ситуации на орошаемых геосистемах, проблема улучшения их экологического состояния и повышения водообеспеченности, путем разработки методов интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод, является актуальной.
Цель работы. Экологическая оценка оросительных и грунтовых вод бассейна рек Аса-Талас и разработка технологии интегрированного их использования на орошаемых экосистемах, обеспечивающей снижение затрат воды на получение единицы сельхозпродукции и защиту водно-земельных ресурсов от деградации.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:
- осуществление агроэкологической оценки оросительных и грунтовых вод в бассейне рек Аса-Талас;
- определение параметров непроизводительных потерь оросительных вод при различных технологиях полива и их влияние на экологическое состояние почв;
- установление темпов и объемов поступления грунтовых вод в зону аэрации почвогрунтов в различные периоды вегетации сельскохозяйственных культур;
- установление экологически безопасной доли участия грунтовых вод в субирригации с учетом их минерализации;
- разработка экологически безопасных методов интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах.
Основная идея работы - разработка технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод с учетом их минерализации и уровня залегания для повышения влагообеспеченности и устойчивости орошаемых экосистем
Объект и методика исследований. Объектами исследования являлись орошаемые экосистемы, поверхностные и грунтовые воды в бассейне рек Аса-Талас. Исследования по установлению объемов непроизводительных потерь поверхностных вод и интенсивности субирригации при изменении минерализации и уровня залегания грунтовых вод осуществлялись полевым и лизиметрическим методами. Полевые исследования включали изучение приемов орошения по бороздам и бороздам-щелям с подачей воды в каждую борозду, через борозду, а также мониторинг засоленности почв, минерализации и уровня грунтовых вод.
Решение указанных сложных задач базировались на методологии системных научных исследований в области мелиорации и экологии, учитывающих ландшафтно- и почвенно-экологические особенности мелиорированных сельскохозяйственных земель
Обработка материалов исследовании проведена с использованием методов математической статистики.
Научная новизна. В результате комплексных исследований, проведенных на орошаемых геосистемах в бассейне рек Аса-Талас:
- определены экологически безопасные параметры непроизводительных потерь воды при различной технологии орошения возделываемых культур,
- установлены экологически безопасные пределы использования грунтовых вод на субирригацию и изменения объемов оросительных норм;
- разработаны экологически безопасные технологии интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод на орошаемых геосистемах бассейна рек Аса-Талас.
Новизна технических решений подтверждается положительным решением на изобретение – «Способ определения влажности почв» (Предварительный патент № 20448).
Основные защищаемые положения:
- агроэкологическая оценка качества оросительных и грунтовых вод для установления их влияния на экологическое состояние почв;
- экологически безопасные пределы изменения влажности почв в корнеобитаемом слое и объемов непроизводительных потерь воды при различных технологиях полива;
- экологически безопасные технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах, обеспечивающая различное использование водо-земельных ресурсов, снижение деградации почв и повышение экологической устойчивости орошаемых геосистем.
Практическая ценность работы заключается в разработке экологически безопасной технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод, обеспечивающей снижение размеров непроизводительных потерь оросительных вод и норм орошения на 20-50%, объемов водоотведения и темпов загрязнения водных ресурсов – на 30-40%.
Реализация работы. Результаты работы были переданы агроформированиям и крестьянским хозяйствам Жуалынского, Жамбылского, Байзакского и Таласского районов Жамбылской области и внедрены на орошаемых геосистемах бассейна рек Аса-Талас.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при составлении:
- методических рекомендаций по установлению параметров влаго- и солепереноса в корнеобитаемом слое орошаемых почв;
- методических рекомендаций по оценке качества оросительных и грунтовых вод в бассейне рек Аса-Талас и снижению размеров водоотведения.
Личный вклад автора состоит в оценке современного состояния и обосновании актуальности решаемой проблемы, агроэкологической оценке качества оросительных и грунтовых вод бассейна рек Аса-Талас и непосредственном участии при выполнении лабораторных, лизиметрических и полевых экспериментов по установлению параметров непроизводительных потерь и интенсивности расходования грунтовых вод в корнеобитаемую толщу почв.
Обоснованность и достоверность полученных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждены адекватными обоснованиями, базирующимися на анализе обширного фактического материала, полученного в многолетних экспериментальных исследованиях, которые выполнялись на лизиметрической площадке и орошаемых экосистемах бассейна рек Аса-Талас.
Апробация работы. Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на II Центрально-Азиатской Международной Конференции «Водные ресурсы: потенциал, использование, техноло-гия и экология», Алматы 2001г; Международной научно-практической конферен-ции «Научное обеспечение как фактор устойчивого развития водного хозяй-ства» г. Тараз, 2005г; Международной научно-практической конферен-ции «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана», Шымкент, 2006г; Международной конференции посвященной 100-летию У.У. Успанова, г.Алматы, 2006г.; Международной научно-практи-ческой конференции «Экологическая безопасность урбанизированных террито-рий в условиях устойчивого развития» Астана, 2008г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК. Получен 1 инновационный патент.
Объем, структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 120 страницах компьютерного текста, включая 64 таблицу,, 28 рисунков и список использованных источников из 128 наименований.
Основная часть
Во введении обоснована актуальность темы, ее связь с экологическими проблемами орошаемых земель бассейна рек Аса-Талас, указаны цель и задачи работы, изложены защищаемые положения, достоверность научных положений, практическая ценность.
В первом разделе «Природно-экологические условия района исследований» приведены климат, геология и гидрогеология, почвенный покров и растительность, водные ресурсы и их использование в бассейне рек Аса-Талас. Район исследований включает орошаемые земли 5 районов Жамбылской области. Общая площадь регулярного орошения составляет 106,4 тыс.га. Для орошения сельскохозяйственных культур используются водные ресурсы рек Асы и Талас. По Кадастру мелиоративного состояния орошаемых сельхозугодий Жамбылской области выявлена и установлена следующая структура по экологическому состоянию: с хорошим экологическим состоянием – 37,67 тыс.га (35,7%); с удовлетворительным – 26,38 тыс.га (25,0%); с неудовлетворительным – 41,54 тыс. га, что составляет около 39,3% общей площади орошаемых земель бассейна рек Аса-Талас. Причиной неудовлетворительного состояния орошаемых земель является засоление почвы и близкое залегание грунтовых вод.
Во втором разделе «Экологические процессы на орошаемых геосистемах и методика исследований» рассмотрены почвенно-экологические процессы, протекающие в корнеобитаемом слое почв при автоморфном и гидроморфном режимах почв, существующие методы управления водными ресурсами при поливах и влияние близкого залегания грунтовых вод на экологическое состояние орошаемых геосистем, а также условия проведения исследований.
На основе обзора литературных источников выявлено, что в корнеобитаемом слое почв протекают очень сложные физико-химические процессы, включающие фильтрацию воды, миграция солей, органических веществ и питательных элементов, протекание ионообменной сорбции между почвенным раствором и почвенно-поглощающим комплексом. В результате, при несоблюдении режима и технологии орошения происходит усиление деградационных процессов в почвогрунтах: засоление, осолонцевание и ощелачивание почв; вымыв органических веществ и питательных элементов из корнеобитаемой толщи; рост минерализации и ухудшение качества оросительных и грунтовых вод, заболачивание орошаемых геосистем.
Результаты экспериментальных исследований отечественных ученых, полученные в различных природных зонах, показывают, что на орошаемых землях кроме нисходящего (фильтрация) передвижения воды, в почвогрунтах идет восходящий поток влаги по капиллярам почв. На величину расхода грунтовых вод в зону аэрации оказывает влияние рост и развитие растений, влажность почвы, уровень залегания и минерализация грунтовых вод.
В сложившейся экологической ситуации на орошаемых экосистемах, разработка методов интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод требует агроэкологической оценки водных ресурсов.
Экологическая оценка пригодности оросительных и грунтовых вод на субирригацию и орошение сельскохозяйственных культур проводилась по следующим показателям: опасность засоления, осолонцевания и ощелачивания почв; токсичность отдельных ионов и сравнение их с порогом токсичности.
Исследования по установлению параметров ресурсосберегающей технологии водораспределения и полива, проводились на опытно-производственном участке и в лизиметрическом павильоне КазНИИВХ.
Поливы сельскохозяйственных культур на опытно-производственном участке осуществлялись закладкой следующих вариантов: 1- поливы по бороздам (контроль); 2 - то же, по бороздам-щелям; 3 - то же, через борозду;
Влияние глубины щелей на скорость впитывания воды в почву изучалась при следующих глубинах щелей (рисунок 1): 1- при глубине щелей 5см; 2 - то же, при глубине 10см; 3 - то же, при глубине 15см; 4 - то же, при глубине 20см.
Рисунок 1 – Нарезка щелей по дну борозд (с. Бесагаш)
Процессы влаго- и солепереноса в корнеобитаемом слое почв изучались методом физического моделирования (рисунок 2). Размер суммарного водопотребления определялся по балансовым расчетам.
Рисунок 2 – Физическое моделирование процессов влаго-и солепереноса в почве при орошении яровой пшеницы
На опытно-производственном участке определены следующие свойства почв: механический состав, плотность, плотность твердой фазы, пористость, ионно-солевой состав корнеобитаемого слоя, запасы гумуса, азота, фосфора, калия, катионный состав почвенно-поглощающего комплекса.
В третьем разделе «Экологическая оценка качества поверхностных и грунтовых вод в бассейне рек Аса-Талас» установлено, что объем дефицита водных ресурсов на орошаемых землях зависит от стока рек Аса и Талас в вегетационный период, хотя годовой сток этих рек в годы исследований мало отличался от среднемноголетних показателей (таблица 1).
Таблица 1– Динамика и оценка годового стока рек Аса и Талас, млн. м3
| Бассейн реки | Годы | |||||
| 1995 | 2000 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | |
| Талас | 925 | 848 | 1103 | 1107 | 804 | 565 |
| Аса | 889 | 284 | 388 | 393 | 805 | 390 |
| Итого | 1814 | 1132 | 1491 | 1500 | 1609 | 955 |
| Объемы водозабора на орошение, % к 1995 году | 100 | 70,2 | 42,1 | 59,1 | 49,1 | 49,3 |
Из представленных материалов видно, что в 2003-2005 годах сток рек Аса и Талас превышал среднемноголетний сток на 14-23%. В то же время водозабор на орошение составлял 42,1-59,1% от уровня 1995 года, изменяясь от 382,5 до 536,59 млн.м3. Поверхностные водные ресурсы в верхнем течении рек по общей минерализации (С, г/л) относятся к пресным, хорошего качества (таблица 2), а в нижнем течении – к слабосолоноватым, удовлетворительного качества.
Таблица 2– Оценка качества воды в бассейне рек Аса-Талас
| Реки | Место отбора | Показатели | ||||||||
| C, г/л | К | SAR | SAR* | ОКН | Mg* | рН | ||||
| Талас | г. Тараз | 0,393 | 5,17 | 0,53 | 1,10 | -1,20 | 43,5 | 7,6 | ||
| Гидроузел | 0,444 | 5,99 | 0,49 | 1,04 | -1,80 | 51,9 | 6,9 | |||
| Улгили | 0,481 | 8,72 | 0,34 | 6,41 | -2,40 | 51,6 | 7,4 | |||
| Ойык | 1,292 | 1,52 | 3,10 | 8,10 | -8,20 | 60,0 | 8,2 | |||
| Терс | Тастумсык | 0,449 | 5,76 | 0,50 | 1,11 | -0,60 | 42,3 | 7,4 | ||
| вдх.Терс-Ащибулак | 0,145 | 7,71 | 0,21 | 0,25 | -0,60 | 33,3 | 6.8 | |||
| Аса | с. Айша биби | 0,384 | 5,18 | 0,53 | 1,11 | -0,80 | 47,8 | 7,4 | ||
| (оз. Акколь) | 1,103 | 1,30 | 3,23 | 8,03 | -5,80 | 68,1 | 7,8 | |||
По показателям К и SAR, использование поверхностных вод на орошение, опасности осолонцевания почв не вызывает, по SAR* возможно накопление натрия в почвенно-поглощающем комплексе и осолонцевание почв только в районе с.Улгили, с.Ойык и озеро Акколь. По остаточному карбонату натрия (ОКН) водные ресурсы безопасны для использования на орошение, а по наличию магния, в большинстве случаев, оказывают вредное влияние на почву. Водные ресурсы бассейна по водородному показателю ионов (pH) относятся к нейтральным и слабощелочным.
Ухудшение водных ресурсов в бассейне рек Аса-Талас происходит вниз по течению, главным образом, за счет увеличения токсичных солей (сульфатов магния, натрия и хлоридов натрия). В районе с Ойык появляется нормальная сода (Na2CO3), причем вода становится непригодной для орошения.
Грунтовые воды в бассейне рек Аса-Талас по общей минерализации (С, г/л) относятся к пресным, хорошего качества в Жамбылском районе (таблица 3); пресным и среднесолоноватым, хорошего и слабоудовлетворительного качества - в Байзакском; пресным, солоноватым и среднесолоноватым, хорошего, удовлетворительного и слабоудовлетворительного качества - в Таласском.
Таблица 3 – Оценка качества грунтовых вод в бассейне р.Аса-Талас
| Номера скважин | Показатели | ||||||
| C, г/л | К | SAR | SAR* | ОКН | Mg* | pH | |
| 1 | 4,209 | 2,38 | 3,84 | 11,42 | -40,00 | 66,5 | 7,2 |
| 15 | 0,444 | 2,31 | 1,21 | 2,71 | 0,00 | 86,4 | 8,0 |
| 21 | 0,508 | 12,77 | 0,22 | 0,50 | -2,00 | 45,5 | 7,0 |
| 31 | 0,789 | 3,49 | 1,13 | 2,94 | -3,40 | 60,0 | 7,8 |
| 36 | 0,869 | 1,07 | 3,18 | 8,16 | 0,20 | 32,3 | 8,0 |
| 43 | 2,037 | 1,33 | 4,32 | 12,54 | -11,20 | 67,0 | 7,8 |
| 66 | 4,916 | 1,84 | 5,20 | 15,39 | -44,80 | 56,8 | 6,6 |
| 70 | 1,328 | 1,97 | 2,49 | 6,97 | -7,20 | 63,6 | 6,8 |
| 72 | 4,518 | 1,65 | 5,39 | 16,31 | -36,80 | 64,7 | 7,4 |
| 77 | 2,392 | 1,16 | 5,16 | 16,11 | -10,60 | 58,3 | 7,4 |
По ирригационному коэффициенту (К) и натриевому адсорбционному отношению (SAR) при использовании грунтовых вод на орошение опасность осолонцевания почв не возникает, по SAR*-возможно накопление натрия в почвенно-поглощающем комплексе (SAR*=6-9) и осолонцевание почв (SAR*>9) в Байзакском и Таласском районах.
В разделе «Экологически безопасные методы интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах» рассмотрены результаты физического моделирования процессов миграции влаги в корнеобитаемом слое почв при изменении уровня залегания грунтовых вод, динамика влажности почв в полевых условиях при изменении технологии орошения, изменение солевого режима почв на орошаемых экосистемах бассейна рек Аса-Талас, методы интегрированного использования оросительных и грунтовых вод, эколого-экономическое обоснование методов интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах.
Результаты физического моделирования процессов миграции в корнеобитаемом слое почв показывают, что в начальной стадии развития яровой пшеницы, которая приходится на конец марта - начало апреля, интенсивность расхода грунтовых вод изменяется в пределах от 12-15 м3/га в сутки до 40-45 м3/га в сутки (рисунок 3). Однако в дальнейшем, в мае, обильные осадки приводят к резкому снижению расходования грунтовых вод в зону аэрации. В июне получен максимальный темп расходования грунтовых вод на субирригацию.
Рисунок 3 – Динамика расхода влаги яровой пшеницей
Исследования расходования грунтовых вод показывают, что одним из факторов, оказывающих влияние на объем расхода грунтовых вод является влажность корнеобитаемого слоя почв. Поэтому для мониторинга влажности в кор-необитаемом слое почв и установления её экологически безопасных пределов, разработана математическая модель, позволяющая определить экологически безопасных режимов орошение и темпы поступления грунтовых вод в корне-обитаемую толщу, выраженная следующей формулой (Предва-рительный патент № 20448):
, (1)
где max - влажность почвы, равная НВ, %; - коэффициент пропорциональности, учитывающий темпы расходования влаги на испарение и транспирацию; Тi - продолжительность межполивного периода, сут.; ко - микроклиматический коэффициент, характеризующий изменение метеорологического режима на сельскохозяйственном поле под влиянием орошения; кб - биологический коэффициент, учитывающий роль растений в общем объеме расхода воды сельскохозяйственным полем; t - среднесуточная температура воздуха, оС; а - среднесуточная относительная влажность воздуха, %.
Сравнительный анализ результатов исследований показывает, что при гидроморфном режиме доля участия грунтовых вод в суммарном водопотреблении составила от 49,2% до 54.4% (таблица 4).
При интегрированном использовании оросительных и грунтовых вод и установлении параметров экологически безопасной технологии орошения, а также пределов использования грунтовых вод требует изучения динамики влажности почв и ее влияния на объемы непроизводительных потерь и субирригацию.
На опытно-производственном участке КазНИИВХ изучена динамика влажности почв корнеобитаемой толщи при поливе овощных культур по бороздам и через борозду.
Таблица 4 – Экологические параметры субирригации и водообеспеченности при различных режимах почв
| Статьи баланса | Автоморфный | Гидроморфный | ||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |
| Приход | ||||||
| Исходные запасы влаги, м3/га | 3120 | 3120 | 3120 | 3120 | 3120 | 3120 |
| Осадки, м3/га | 1030 | 1030 | 1030 | 1030 | 1030 | 1030 |
| Оросительная норма, м3/га | 2600 | 2600 | 2600 | 2600 | 2600 | 2600 |
| Поступление грунтовых вод, м3/га | 0 | 0 | 0 | 2920 | 2730 | 2650 |
| Итого | 6750 | 6750 | 6750 | 9670 | 9480 | 9400 |
| Расход | ||||||
| Инфильтрационные потери, м3/га | 0 | 470 | 260 | 1610 | 1670 | 1310 |
| Конечные запасы влаги, м3/га | 2230 | 2230 | 2230 | 2700 | 2700 | 2700 |
| Эвапотранспирация, м3/га | 4520 | 4050 | 4260 | 5360 | 5110 | 5390 |
| Итого: | 6750 | 6750 | 6750 | 9670 | 9480 | 9400 |
| Урожайность, т/га | 3,74 | 2,85 | 3,74 | 4,82 | 4,80 | 5,22 |
| Затраты воды на тонну пшеницы, м3 | 1208 | 1421 | 1139 | 1112 | 1064 | 1032 |
При поливах по бороздам основной объем подаваемой воды перераспределяется вертикально, а при поливах через борозду- как вертикально, так и горизонтально. При этом, влажность и глубина промачивания почвы, практически одинаковые независимо от способа водораспределения.
Например, влажность верхнего 40см слоя почвы на варианте с подачей воды в каждую борозду составила 18,62% или 88,6% от НВ, а в 0-100см слое 19,23% или 91,1% от НВ, на варианте, где поливы осуществлялись через борозду, влажность мокрой борозды такая же как при поливах по бороздам. В сухой борозде средняя влажность почвы была несколько ниже (на 2-4%), чем при поливах в каждую борозду. В результате в корнеобитаемый слой почвы постоянно поступали грунтовые воды и соответственно поддерживался экологически безопасные пределы влажности, обеспечивающий нормальный рост и развитие сельскохозяйственных культур.
Для каждой технологии орошения овощных культур и кукурузы, используя метеоданные станции Жамбыл, было определено их суммарное водопотребление и составлен водный баланс. Анализ показателей водного баланса говорит о том, что самые большие потери воды на сброс были на варианте при поливах по бороздам и составили 2100 м3/га. При поливах через борозду происходит снижение потерь на сброс равный 600 м3/га, т.е. на 29% по сравнению с подачей воды в каждую борозду. При поливах капусты по бороздам-щелям произошло дальнейшее снижение потерь оросительных вод на сброс и составило 1300 м3/га. Вместе с тем, полив по бороздам щелям усиливает потери оросительных вод на фильтрацию. Результаты исследований показали, что наибольшие объемы субирригации получены при поливе капусты через борозду. В данном варианте объем поступления грунтовых вод в корнеобитаемую толщу за вегетацию составил 5600 м3/га, при поливе по бороздам-щелям 5100 м3/га, при поливе по бороздам – 4800 м3/га. Сравнительный анализ приведенных данных показывают, что полив через борозду обеспечил рост объема субирригации на 16,7% относительно полива по бороздам и на 9,8% относительно полива по бороздам-щелям.
На варианте выращивания кукурузы, высокая влажность нижних горизонтов корнеобитаемого слоя обеспечивает нормальный ее рост и развитие, что связано с формированием мощной корневой системы. Например, на контрольном варианте (без проведения вегетационных поливов), хотя влажность почвы в 0-20см слое снизилась до 6,8% и составила 32,4% от НВ, близкое залегание грунтовых вод предопределило рост влажности почв в 0-100см слое до 14,1% или 67,1% от НВ. Во втором варианте, где проводился один полив, влажность верхнего 0-20см составили 7,4% или 35,2% от НВ, а в 0-100см слое – 72,9% от НВ. В 3 варианте, проведение двух поливов обеспечило рост влажности почв в 0-20см слое до 11,1%, что составляет 52,8% от НВ, в 0-100см слое – 85,2% от НВ. В 4 варианте, влажность почвы после 3-го полива, во всех горизонтах достигала величины наименьшей влагоемкости.
При поливе по бороздам-щелям, с ростом глубины щели происходит увеличение скорости впитывания воды. снижение скорости движения воды в борозде и увеличение времени добегания воды до конца борозды (таблица 5).
Таблица 5 – Экологические параметры технологии полива по бороздам-щелям
| Глубина щелей, см | Длина борозды, м | Время полива, час | Время добегания воды до конца борозды, час | Расходы, л/с | Объем поданной в в борозду воды, м3 | Потери воды на сброс | ||
| в голове борозд | в конце борозд | м3 | % от по- данной воды | |||||
| без щели | 80 | 8 | 2,4 | 0,21 | 0,080 | 6,05 | 1,61 | 26,7 |
| 5 | 80 | 8 | 3,1 | 0,20 | 0,062 | 5,76 | 1,09 | 18,9 |
| 10 | 80 | 8 | 4,6 | 0,22 | 0,024 | 6,34 | 0,29 | 4,6 |
| 20 | 80 | 8 | 7,2 | 0,25 | 0,002 | 7,20 | 0,006 | 0,08 |
Различие в скорости впитывания и движении воды в борозде обуслов-ливало различие объема потерь воды на сброс. При этом наибольшие объемы потерь воды, ухудщающие экологическую обстановку в речных бассейнах, отмечаются при поливе по бороздам без щелей. На данном варианте, потери воды на сброс составили 1,61м3 или 26,7% от объема подан-ной воды в борозду. С ростом глубины щелей происходит снижение объемов потерь оросительных вод на сброс. Их минимальные значения получены при глубине щелей в 20см.
На основании обобщения экспериментальных материалов разработаны экологически безопасные технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод для орошаемых геосистем бассейна рек Аса-Талас. Предлагаемая технология предусматривает осуществление вегетационных поливов через борозду (рисунок 4), которая позволяет регулировать влажность корнеобитаемого слоя почв.
Рисунок 4– Полив овощных культур на опытно-производственном участке
При этом динамика влажности почв и их экологически безопасные пределы в корнеобитаемом слое в межполивной период прогнозируется математической зависимостью, которая учитывает водно-физические свойства почв, климатические условия орошаемых экосистем, а также вид растений.
Экологическая оценка разработанных методов интегрированного использования оросительных и грунтовых вод осуществлялась путем сравнительного анализа запасов солей и количественных показателей сезонного накопления солей в корнеобитаемом слое при использовании грунтовых вод на субирригацию. При этом главным условием экологической безопасности орошаемых геосистем является условие:
Cисх+(Ссуб+Сор) – Синф < Спт (2)
где Cисх – запасы солей в начале вегетации (до использования грунтовых вод на субирригацию); Ссуб- количество солей поступающих с грунтовой водой в корнеобитаемый слой; Сор- количество солей поступающих в корнеобитаемый слой с оросительной водой; Синф- количество солей вымываемых из корнеобитаемого слоя с фильтрационной водой; Спт- запас солей равный порогу токсичности.
Результаты изучения изменения запасов солей в бассейне рек Аса-Талас показывают, что многолетнее использование грунтовых вод на субирригацию не приводит к накоплению солей в корнеобитаемом слое. При этом на многих орошаемых экосистемах запасы солей в 0-100см слое изменяются в пределах 0,08-0,15%. Тогда как порог токсичности для данного типа почв составляет 0,4%. Следовательно, запасы солей в корнеобитаемом слое в 3-5 раз меньше чем показатель порога токсичности.
Полученная прибыль, при внедрении предлагаемой технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах в бассейне рек Аса-Талас, с учетом предотвращенного ущерба, при поливе через борозду составила 167526 тенге/га, а при поливе по бороздам-щелям – 89326 тенге/га.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 Установлена структура распределения орошаемых земель по экологическому состоянию: с хорошим экологическим состоянием – 37,67 тыс.га (35,7%); с удовлетворительным – 26,38 тыс.га (25,0%); с неудовлетворительным – 41,54 тыс. га, что составляет около 39,3% общей площади орошаемых земель бассейна рек Аса-Талас.
2 Химический анализ оросительных вод бассейна рек Аса-Талас показал, что по показателю «К» их использование на орошение не вызывает опасности осолонцевания почв, по SAR* возможно накопление натрия в почвенно-поглощающем комплексе, а осолонцевание почв возможно только в нижнем течении рек (SAR* более 6). По остаточному карбонату натрия (ОКН= -0,9…-8,2) водные ресурсы не вызывают опасения и безопасны для использования на орошение, по наличию магния (43,5-67,5) в большинстве случаев оказывают вредное влияние на почву, по показателю водородных ионов (pH=6,9-8,2) относятся к нейтральным и слабощелочным. Ухудшение водных ресурсов в бассейне рек Аса-Талас вниз по течению реки происходит, главным образом, за счет увеличения токсичных солей, здесь появляется нормальная сода (Na2CO3).
3 По ирригационному коэффициенту (К=1,16-12,77) и натриевому адсорбционному отношению (SAR=0,22-5,39) при использовании грунтовых вод на орошение опасность осолонцевания почв не возникает, по SAR* (6,97-16,31) возможно накопление натрия в почвенно-поглощающем комплексе и осолонцевание почв в Таласском районе.
4 Установленная закономерность динамики расходования грунтовых вод в зону аэрации, в зависимости от влажности корнеобитаемого слоя почв, позволила выявить математическую связь между ними, по которой можно прогнозировать динамику влажности почв и установить их экологически безопасные пределы (0,70-0,85 НВ), а также темпы поступления грунтовых вод в зону аэрации.
5 Результаты исследований показали, что с экологической точки зрения наибольшие объемы грунтовых вод на субирригацию получены при поливе капусты через борозду. На данном варианте объем поступления грунтовых вод в корнеобитаемую толщу за вегетацию составил 5600 м3/га, при поливе по бороздам-щелям 5100 м3/га, при поливе по бороздам – 4800 м3/га.
6 Предлагаемая экологически безопасная технология позволяет поддерживать влажность почвы в корнеобитаемом слое, при проведении вегетационных поливов через борозду ниже НВ, в течение всей вегетации. При этом экологически безопасные пределы изменения влажности почв в корнеобитаемом слое в межполивной период прогнозируются математической зависимостью.
7 Многолетнее использование грунтовых вод на субирригацию не приводит к накоплению солей в корнеобитаемом слое. Так как на многих орошаемых экосистемах запасы солей в 0-100см слое изменяются в пределах 0,08-0,15%, при пороге токсичности для данного типа почв составляет 0,4%.
8 Установлено, что при поливах по бороздам, влажность почвы на опытном участке была высокой (0,88-0,91НВ). На варианте, где поливы проводились через борозду, сухие борозды имели влажность в пределах 0,7 НВ, остальная влага бесперебойно поступала в корнеобитаемую толщу почв из грунтовых вод, что предопределило снижение размеров оросительных вод на единицу сельхозпродукции, а также темпы загрязнения нижележащих водо-земельных ресурсов минерализованными грунтовыми водами.
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута, а задачи исследований решены. Результаты исследований доведены до внедрения, что подтверждаются актами внедрения и одним предварительным патентом.
Разработка рекомендаций и исходных данных по использованию результатов. На основе полученных материалов разработаны экологически безопасные технологии интегрированного использования поверхностных и грунтовых вод в бассейне рек Аса-Талас.
Для повышения экологической безопасности и уменьшения отрицательного воздействия орошения на природную среду рекомендуется:
- осуществление поливов сельскохозяйственных культур через борозду, обеспечивающих интенсивное использование грунтовых вод на субирригацию. При низкой минерализации (до 3 г/л) грунтовых вод их доля при уровне залегания 1-2м, может достичь 80-90% от суммарного водопотребления.
- при высокой минерализации грунтовых вод, темпы их поступления в корнеобитаемую толщу необходимо уменьшить, путем повышения порога предполивной влажности и снижением уровня залегания грунтовых вод.
Исходными данными для использования результатов исследований являются: водно-физические и химические свойства почв (степень и химизм засоления, катионный состав почвенно-поглощающего комплекса, запасы органики и азота, фосфата и калия, соли в твердой фазе почв) и оросительной и грунтовой воды, экологически безопасные пределы изменения влажности почв и использования грунтовых вод на субирригацию.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. В результате внедрения экологически безопасной технологии интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах в бассейне рек Аса-Талас, прибыль, с учетом предотвращенного ущерба составляет при поливе через борозду 167526 тенге/га, при поливе по бороздам-щелям – 89326 тенге/га.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Результаты исследований показывают, что по сравнению с существующими разработками в данной области, внедрение разработанных экологически безопасных методов интегрированного использования оросительных и грунтовых вод на орошаемых экосистемах обеспечат снижение затрат воды на орошение в зависимости от минерализации грунтовых вод от 30 до 80-90%, размеров на водоотведение и темпов загрязнение водо-земельных ресурсов 40-60%.
Список опубликованных работ по теме диссертации
- Койбакова Е.С., Казыкенова Г.В, Джайсамбекова Р.А. Оросительные нормы при орошении водой повышенной минерализации //Материалы II Центрально-Азиатской Международной Конференции «Водные ресурсы: потенциал, использование, технология и экология». – Алматы, 2001. – С.66-67.
- Бекбаев Р.К., Жапаркулова Е.К., Джайсамбекова Р.А. и др. Влияние субирригации на водопотребление и урожайность пщеницы //Материалы Международная научно-практическая конференция «Научное обеспечение как фактор устойчивого развития водного хозяйства». – Тараз, 2005. – С.232-235.
- Бекбаев Р.К., Койбакова Е.С., Джайсамбекова Р.А. Влияние сточных вод накопителя «Сорбулак» на мелиоративное состояние орошаемых земель //Водное хозяйство Казахстана. – 2006. – №2(10). – С.13-16.
- Бекбаев Р.К., Койбакова Е.С., Джайсамбекова Р.А. Экологическая оценка и технология утилизации сточных вод накопителя «Сорбулак» //Мат. межд. науч-пр. конф. «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана». – Шымкент, 2006. – Т.3. – С.342-346.
- Бекбаев Р.К., Жапаркулова Е.К., Джайсамбекова Р.А. Грунтовые воды и их влияние на удельные затраты воды на орошение в бассейне рек Аса-Талас //Матер. межд. конф., посвященной 100-летию У.У. Успанова «Вклад У.У. Успанова в развитие почвоведения Казахстана». – Алматы: Тетис, 2006 – С.55-58.
- Бекбаев Р.К., Жапаркулова Е.Д., Джайсамбекова Р.А. и др. Иннова-ционный патент №20448. Способ определения влажности почв. – 11.03.2007.
- Койбакова Е.С., Джайсамбекова Р.А., Эколого-мелиоративное исполь-зо-вание сточных вод в Казахстане //Материалы международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития». – Астана, 2008. – С.217-221.
- Бекбаев Р.К., Балгабаев Н.Н., Жапаркулова Е.Д., Жайсамбекова Р.А. и др. Аса-Талас алабында жгеріні німділігін арттыру дісі //Научные исследования в мелиорации и водном хозяйстве: сб. науч. тр. /КазНИИВХ. – Тараз, 2008. – Т.45, вып. 1. – С.71-75.
- Жапаркулова Е.Д., Джайсамбекова Р.А. Влияние близкого залегания пресных грунтовых вод на размеры оросительных норм кукурузы //Научные исследования в мелиорации и водном хозяйстве: сб. науч. тр. /КазНИИВХ. – Тараз, 2009. – Т.46, вып. 1. – С.61-71.
- Бекбаев Р.К., Вышпольский Ф.Ф., Балгабаев Н.Н., Джайсамбекова Р.А. и др. Рекомендации по установлению параметров влаго- и солепереноса в корнеобитаемом слое орошаемых почв. – Тараз, 2009. – 20 с.
- Бекбаев Р.К., Магай С.Д., Вышпольский Ф.Ф., Джайсамбекова Р.А. и др. Методические рекомендации по оценке качества оросительных и грунтовых вод в бассейне рек Аса-Талас и снижению размеров водоотведения. – Тараз, 2009. – 25 с.
- Бекбаев Р.К., Жапаркулова Е.Д., Джайсамбекова Р.А. Водосбе-регающие технологии орошения овощных культур и кукурузы в бассейне рек Аса-Талас //Вестник ТарГУ им. М.Х.Дулати. –.Тараз, 2010. – №3(2). – С.50-57.
- Жапаркулова Е.Д., Жайсамбекова Р.А Аса-Талас зендері алабындаы суармалы жерлерді экологиялы жадайы мен оларды сумен амтамасыз ету мселелері //М.Х. Дулати атындаы ТарМУ. – Тараз, 2010. – Жаршысы №4. – Б.18-23.
ТЖЫРЫМ
Жайсамбекова Раушан Аманбеккызы
Аса-Талас зендері алабында суару суы мен жер асты суын агроэкологиялы баалау жне оларды суармалы экожйеде бірге пайдалану технологиясы
Жмысты масаты. Аса-Талас зендері алабында суару суы мен жер асты суын экологиялы трыда баалау, ауыл шаруашылыы даылдарыны нім бірлігіне су шыынын тмендетіп, жер-су ресурстарын тозудан орайтын, оларды суармалы геожйеде бірге пайдалану технологиясын жасау.
Жмысты идеясы. Суармалы жне жер асты суларын суармалы экожйеде бірге пайдалану технологиясы, жер асты суыны дегейі мен суару технологиясын ескере отырып жасалды.
Зерттеу нысандары мен дістері: Аса-Талас зендері алабыны суармалы экожйелері мен жер сті жне жер асты сулары. Топыра абатында болатын экологиялы былыстар далалы жне физикалы модельдеу дістерін олдану арылы зерттелді. Далалы зерттеулер мен физикалы модельдеу барысында, жер сті жне жер асты суларыны сапасы жалпы абылданан дістемелерді олдану арылы бааланды.
Жмысты нтижелері:
- Аса-Талас зендері алабындаы жер сті жне жер асты суларыны агроэкологиялы сапасы зерттеліп бааланды. Зерттеу нтижелері крсеткендей оларды минералдылыы зен аысына байланысты жоарылайды жне оны е жоары крсеткіші оларды тменгі аысында орын алып, алабты экологиялы жадайын нашарлатады.
- топыра абатындаы су озалысын зерттеу, жер асты суын субирригацияа пайдалану, ауыл шаруашылыы даылдарын сумен амтамасыз ету млшерін арттырып, оларды німділігіні сетінін крсетті. Жер асты суын топыраты экологиялы ауіпсіз ылалдылыында субирригацияа пайдалану, топыраты тздану мен сортаданудан орайды.
- суармалы жерлерде жер асты суыны топыраты тамыр сетін абатына келу арыны, оны ылалдылыына тікелей байланысты екендігін крсетті. Сондытан, жер асты суыны сапасына байланысты топыраты экологиялы ауіпсіз ылал млшері аныталды;
- суармалы жне жер асты суларын бірге пайдалануды экологиялы ауіпсіз дісі жасалды.
Негізгі конструктивті, технологиялы жне технико-пайдалану сипаттамалары. Жасалан технология ауыл шаруашылыы даылдарын жйек ара суарумен атар, топыра ылалдылыын экологиялы ауіпсіз шекте стауды ажет етеді. Сонда суару суыны сзгіге кететін шыыны кеміп, ыза суыны топыраты тамыр сетін абатына келу карыны мен клемін арттырады. Экологиялы ауіпсіз суару суы мен жер асты суын бірге пайдалану технологиясын олдану, жер сті суыны суармалы жердегі шыыныны млшерін 20-50% дейін, ашырты суы мен су кздеріні ластану млшерін 30-40%-а кемітеді.
Жасалан экологиялы ауіпсіз технологияны суармалы экожйелерде пайдалану, бетін айтаран зиянмен таза пайданы оса есептегенде, жйек ара суаранда экономикалы тиімділік 167526 тенге/га, уыс жйекпен суаранда – 89326 тенге/га рады.
Енгізу дрежесі. Зерттеу барысында алынан нтижелер Аса-Талас алабында орналасан Жамбыл жне Байза аудандарыны суармалы экожйелеріне енгізілді.
Зерттеу нтижелерін пайдалануды жне сынуды жасау.
оршаан ортаа суаруды тигізетін кері серлерін болдырмау немесе бседету мен экологиялы ахуалды жасарту шін келесі жадайлар сынылады:
- ауыл шаруашылы даылдарын жйектеп суару арылы жзеге асады, жер асты суыны субирригацияа арынды пайдалануын амтамасыз етеді. Жер асты суыны блігі оларды минералдылыына байланысты. Жер асты суыны тмен минералдылыында (3 г/л дейін) жер асты суыны тередігі 1-2м боланда, бір блігі су пайдалану жиынтыынан 80-90% -а жетуі ммкін.
- жер асты суыны жоары минералдыында, оны келу арыны топыра абатыны ылалдылыын арттыру жне дегейін тмендету арылы іске асады.
- жасалан экологиялы ауіпсіз технология, жер асты, жер сті суларыны, топыраты су-физикалы жне химиялы асиеттері негізінде пайдаланылады.
Summary
R. Dzhaysambekova
Agro-ecological assessment and methods for integrated use of irrigation
water and groundwater in the irrigated ecosystem in the basin
of the Asa-Talas
25.00.36 – Geoecology
Objective. Agro-ecological assessment of irrigation and groundwater basins Asa-Talas and development of technology to integrate their use in irrigated ecosystems, ensuring the reduction of water consumption for a unit of agricultural production and protect water and land resources from degradation.
The basic idea - the development of technology integrated use of irrigation water and groundwater in accordance with their level of occurrence of mineralization and to increase the moisture content and stability of irrigated ecosystems.
Object and methods of research. The objects of study were irrigated ecosystems, surface water and groundwater in the basin of the Asa-Talas. Studies on the volume of unnecessary loss of surface water and the intensity subirrigatsii when the salinity and the level of groundwater by field and lysimeter techniques. Field research included a study of the techniques of furrow irrigation and furrow-cracks with water supply in each furrow, furrow, and the monitoring of soil salinity, salinity and groundwater levels.
The research results: As a result of complex studies in irrigated ecosystems in the basin of the Asa-Talas:
- implemented agro-ecological assessment of surface and groundwater basins of the Asa-Talas. Established that the water salinity Asa and Talas rivers changes in their flow. The maximum salinity of surface water obtained in the lower reaches of rivers.
- identified environmentally friendly options unproductive water losses under different irrigation technologies cultivated crops. Established that alternate furrow irrigation reduces the volume of losses of irrigation water to filter and reset, and furrow irrigation- slots on reset.
- set an environmentally safe limits groundwater use to subirrigation and change in volume of irrigation standards;
- to develop methods of integrated use of surface and ground water in irrigated ecosystems of the basin Asa-Talas.
Assessment of completeness of solutions of the tasks. The stated purpose of the work achieved, and the research problems are solved. The research results reported to the introduction, as evidenced by acts of introduction and a provisional patent.
Development of recommendations and inputs on the use of the results. Based on the materials developed an environmentally friendly technology of the integrated use of surface and groundwater in the basin of the Asa-Talas. To improve the environmental safety and reduce the negative impacts of irrigation on the environment is recommended:
- implementation of irrigation of crops by alternate furrow, providing intensive use of groundwater on subirrigation. At low salinity (up to 3 g/l) groundwater, their share at the level of occurrence of 1-2m, can reach 80-90% of the total water consumption.
- high groundwater salinity, the rate of receipt of groundwater in the root zone thickness must be reduced by increasing the threshold before irrigation humidity and a reduction in groundwater.
Initial data for the results of research are: water-physical and chemical properties of soil, irrigation and groundwater.
Evaluation of technical and economic efficiency of implementation. As a result of the introduction of environmentally sound technology integrated use of irrigation water and groundwater in the irrigated ecosystem in the basin of the Asa-Talas, profit, taking into account the damage is prevented by watering alternate furrow 167,526 tenge/ha, furrow irrigation-slots - 89 326 tenge/ha.
Evaluation of the scientific level of work performed in comparison with the best achievements in this field. The results show that compared with existing developments in this field, introduction of environmentally sound practices developed by the integrated use of irrigation water and groundwater in irrigated ecosystems provide a cost reduction of water for irrigation depending on groundwater salinity from 30 to 80-90%, the dimensions on drainage and the rate of contamination of water and land resources of 40-60%.
Подписано к печати 20.11 2010 г. Формат 60х80 1/16.
Усл.печ.л. 1,03. Уч.изд.л. 1,07. Тираж 100 экз.
«КазНИИ водного хозяйства»
080003, г. Тараз, ул. К.Койгельды, 12
