Работы оросительных систем (на примере саратовского заволжья)
На правах рукописи
Рыбкин Владимир Николаевич
УДК 631.6
обоснование эксплуатационных
режимов работы оросительных систем
(на примере Саратовского заволжья)
Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и
охрана земель
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2009
Работа выполнена на кафедре эксплуатации гидромелиоративных систем ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Кирилл Вадимович Губер (Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова РАСХН);
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Анатолий Васильевич Шуравилин
(ФГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»);
доктор технических наук, профессор Александр Евгеньевич Касьянов (ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»).
Ведущая организация – Российский государственный аграрный университет– МСХА им. К.А. Тимирязева
Защита диссертации состоится 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд 1/201. Факс 8(495)976-10-46.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук Сурикова Т.И.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Одной из проблем, сдерживающих социально-экономическое развитие в Саратовском Заволжье, является ухудшение мелиоративных, водохозяйственных и экологических условий, связанное с широким развитием орошения в бассейне Волги. Перед мелиоративной наукой поставлены новые сложные народнохозяйственные задачи: разработка и осуществление мер по ускорению перехода на водосберегающие технологии орошения, охрана окружающей среды, бережливое использование земельных угодий, сохранение почвенного плодородия, широкое внедрение прогрессивных способов поливов, разработка и создание технически совершенных систем, реконструкция и повышение технического уровня гидромелиоративных систем. В диссертации рассмотрены вопросы оптимизации мелиоративных режимов орошаемых земель и совершенствования водопользования на примере данного региона.
Результаты исследований могут быть использованы не только на территории Саратовского Заволжья, но и в аналогичных условиях сопредельных территорий.
Цель работы – обоснование эксплуатационных режимов на оросительных системах засушливой зоны степей. Для достижения цели были решены следующие задачи.
- Аналитическая оценка особенностей планирования водопользования в хозяйствах и на оросительных системах.
- Изучение процессов планового, фактического и расчетного водопользования, состояния водозабора, водоподачи.
- Оптимизация эксплуатационных режимов орошаемых земель.
- Выполнение производственных исследований. Разработка и внедрение нормативных документов.
- Уточнение методики расчета оперативных режимов орошения сельскохозяйственных культур.
Методология и методика исследований. В основу методологии положено учение Докучаева-Вильямса-Костякова о генезисе и мелиорации почв как особого природного образования, о единых циклах геологического и биологического круговоротов воды, минеральных и органических веществ, о необходимости целенаправленного управления этими круговоротами.
В основу теоретических, экспериментальных и полевых исследований положено изучение общего и частных водных балансов орошаемых земель на опытно-производственных участках с использованием методов системного анализа.
Научная новизна заключается в разработке, обосновании и применении методов и технологий регулирования эксплуатационных режимов орошаемых почв Саратовского Заволжья, включающих:
оценку современного состояния мелиорации земель в Саратовском Заволжье в зависимости от применяемых систем мелиорации и земледелия;
разработку и обоснование эксплуатационных режимов, обеспечивающих рациональное природопользование и экологическую безопасность мелиорации земель в различных агроклиматических зонах Саратовского Заволжья.
Защищаемые положения.
- Оценка современного состояния мелиорации сельскохозяйственных земель в Саратовском Заволжье и применяемых технологий орошения.
- Методика обоснования эксплуатационных режимов орошаемых земель на примере Саратовского Заволжья.
- Способы управления водопользованием на оросительных системах засушливой зоны.
Практическая значимость:
обобщение и анализ опыта современных технологий орошения и мелиоративного состояния орошаемых земель Саратовского Заволжья;
разработка, обоснование и внедрение эксплуатационных режимов орошаемых земель, обеспечивающих рациональное природопользование и экологическую безопасность мелиорации;
предложения по дальнейшему совершенствованию водопользования на оросительных системах.
Реализация результатов исследований осуществлялась:
проведением исследований непосредственно на производственных посевах и внедрением результатов в хозяйствах и на системах зоны;
публикацией статей и докладами на научно-производственных конференциях.
Результаты работы используются: в учебном процессе – в лекционных курсах, производственной практике, курсовых и дипломных проектах; в научно-исследовательской работе при разработке рациональных параметров мелиоративного режима почв, проектного дифференцированного режима и техники орошения для различных почвенных, климатических, гидрогеологических и других условий. Использовались при составлении учебных пособий «Эксплуатация мелиоративных насосных станций и закрытых оросительных систем» (1993), «Средства измерения расхода и давления на оросительных сетях мелиоративных систем» (1995); «Внутрихозяйственное водопользование на оросительных системах» (1999).
Разработки автора демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены бронзовой медалью выставки (1975).
Автор выражает глубокую благодарность и признательность д.т.н., профессору А.И. Голованову за постоянное внимание и ценные указания, полученные при выполнении работы.
Исследования и внедрения выполнял в 1966-2006гг. коллектив сотрудников НИС МГМИ (НИЧ МГУП) при непосредственном участии и под руководством автора, который являлся в разные годы исполнителем, научным руководителем темы.
Научное руководство исследованиями по хоздоговорным темам кроме автора в разные годы осуществляли д.т.н., профессор М.Ф. Натальчук, д.т.н., профессор Е.П. Галямин, д.т.н., профессор В.А. Сурин.
Автор участвовал во всех этапах исследований и в период с 1966 по 2006 годы выполнял непосредственно следующие работы: теоретические исследования, организация и проведение исследований на опытно-производственных участках, научно-методическое руководство исследованиями, обобщение материалов исследований и написание научно-технических отчетов по хоздоговорным и госбюджетным темам, разработка и совершенствование техники и технологии полива, прогнозы водного режима на объектах орошения, расположенных в различных районах Советского Союза, т.е. в совхозе «Энгельсском» Саратовской области (1966...1981 гг.), на Энгельсской оросительной системе (1974...1980, 2005 гг), в совхозе «Коммунизм» Таджикской ССР (1989-1990 гг.), на Аркинском массиве в Киргизии (1989-1991 гг.). Последние годы (1995-2001 гг.) сотрудничал в разработке хоздоговорной тематики с институтами Союзгипроводхоз, Союзводпроект (Госкоммелиовод).
Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях МГМИ и МГУП ежегодно с 1976 по 2009 гг. Разработанные методики использованы в условиях совхоза «Энгельсский» и Энгельсской оросительной системы для планирования и осуществления внутрихозяйственного и системного водопользования. Материалы диссертации вошли в состав пособия к СНиП 2.06.03.85 «Методы проектирования открытых каналов оросительных систем, обеспечивающие водо- и энергосбережение», разработанного ГП СНЦ «Госэкомелиовод» (2000г.).
Публикации. Содержание диссертации изложено в 69 опубликованных работах, в том числе в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, опубликовано 8 научных работ. Материалы диссертации также изложены в 50 научных отчетах МГМИ и МГУП, написанных лично автором и в соавторстве.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и предложений производству, она изложена на 226 страницах машинописного текста и имеет 40 таблиц, 38 рисунков. Библиографический список содержит 248 наименований.
- АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И ХОЗЯЙСТВЕННЫХ УСЛОВИЙ САРАТОВСКОГО ЗАВОЛЖЬЯ НА ОСНОВЕ ЛАНДШАФТНО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Саратовская область является одной из самых крупных в юго-восточной зоне Российской Федерации. Ее площадь составляет более 100 тыс. км2. На территории области проживают более 2,7 млн человек, из них 2 млн. в городах, более 700 тыс. в сельской местности. Сельскохозяйственные угодия занимают 8,5 млн га, в том числе пашня – 6,2 млн га. Саратовское Заволжье расположено в нескольких природных зонах на площади 3,5 млн га, простирающейся от Уральской области Казахстана (на востоке) до реки Волги (на западе), поэтому масштабность территории, ее протяженность в меридиальном (300 км) и широтном (325 км) направлениях обуславливают большое разнообразие климатических, почвенных и природно-геологи-ческих условий, эта зона часто подвергается губительным воздействиям засух и суховеев.
Для Саратовского Заволжья характерно большое разнообразие климатических условий, резко выраженная континентальность со значительными колебаниями температур, сухость воздуха, малое количество атмосферных осадков.
Для характеристики природных зон, с точки зрения почвенно-мелиоративных условий, наиболее подходящим является «индекс сухости», предложенный М.И. Будыко (1956, 1977), в основу которого положено отношение радиационного баланса деятельной поверхности (R) к годовым осадкам, выраженным в количестве тепла, необходимого для испарения (Loс).
На основе анализа и обобщения данных по тепловому балансу, количеству атмосферных осадков и влажности почв установлено, что границы основных природных зон Саратовского Заволжья достаточно хорошо увязываются с гидротермическими коэффициентами – R/Loс (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Агроклиматическая характеристика территории Саратовского Заволжья
| Природная зона | R LОс | Кол-во осадков Ос, мм | Сумма темпе-ратур выше 100С | Радиа-цион-ный баланс R, ккал /см2 | Испаря-емость Ео, м3/га | Продолжи-тельность периода с t100C | Континен-тальность климата, t0С | Глубина промер-зания почв, см |
| Лесостепь | 0,80 | 276 | 1700 | 34,7 | 5700 | 125 | 42 | 200 |
| Степь | 1,00 | 375 | 2200 | 39,0 | 6600 | 130-140 | 40-42 | 190 |
| Полупу-стыня | 1,80 | 250 | 2800 | 43,2 | 7200 | 145-150 | 38-40 | 180 |
В соответствии с этим, суммы активных температур выше 100С в Саратовском Заволжье закономерно нарастают с севера на юг от 17000С до 28000С (рис. 2).
Территория Заволжья, расположенная на левом берегу Волги в Саратовской области, относится к зоне неустойчивого увлажнения с засушливым континентальным климатом. Зимой преобладает интенсивная циклоническая деятельность, сопровождаемая усилением переноса воздушных масс с запада на восток. Весной имеют место меридиальные переносы, способствующие обмену воздушных масс между севером и югом, что вызывает как интенсивное таяние снега, так и типичные для весны возвраты холодов. Летом погода формируется в основном за счет трансформации воздушных масс в антициклонах, чему способствует большой приток солнечной энергии.
Разница между максимальной летней и минимальной зимней температурами достигает 83...850С, а разница средних температур воздуха тех же периодов составляет около 32...370С.
Осадки в среднем на территории составляют 300...350 мм за год, на юго-востоке Левобережья (Александров-Гай, Новоузенск) около 250 мм. Средняя годовая температура воздуха равна 5,30С. Абсолютный минимум -440, абсолютный максимум 420. Средние суммы температур воздуха выше 100 составляют 2700...29000. Лето продолжается около 4 месяцев. Продолжительность вегетационного периода 150...160 дней, безморозного периода 145...155 дней, последний заморозок в среднем наблюдается в первой декаде мая. В отдельные годы заморозки возможны в первой декаде июня.
По основным природным показателям Саратовская область в целом исторически считается зоной рискованного земледелия, а Левобережье без орошения – краем без будущего.
Орошаемое земледелие в отличие от богарного дает несравненно большие возможности управления главными факторами, определяющими плодородие почвы, ее водным и питательным режимами, то есть позволяет придать сельскому хозяйству региона характер устойчивого, динамично развивающегося производства.
Не менее важны и значительны социальные последствия орошения. В период строительства оросительных систем сёла стали многолюднее (прекратился отток населения из степных районов) и благоустроеннее. В сельской местности строились школы, детские сады, асфальтированные дороги, осуществлялась газификация поселков, возводились объекты культуры и здравоохранения. Степь преображалась. /В.А. Нагорный, 1997/.
Весь ирригационный фонд Саратовской области располагается на больших оросительных системах левого берега Волги, все системы с машинным водоподъемом из Волгоградского водохранилища.
В работе предлагаются три уровня конечных целей орошаемого земледелия, на базе которых проводились длительные теоретические и полевые исследования, на основе геосистемных подходов к природообустройству:
| 1-ый уровень (ландшафтный) | Сохранение благоприятной экологической обстановки в пределах ландшафта |
| 2-ой уровень (агро-экосистемный) | Сохранение динамического экологического равновесия в пределах экосистемы с учетом ведения высокорентабельного сельскохозяйственного производства |
| 3-ий уровень (агро-культурный) | Получение оптимального урожая сельскохозяйственных культур с учетом сохранения почвенного плодородия |
Отношения человека с природой можно разделить на: природоведение, природопользование, природообустройство.
Природообустройство в значительной мере выражается в улучшении (мелиорации) земель разного назначения: сельскохозяйственных, водного и лесного фондов, населенных пунктов, промышленности, транспорта, связи, земель рекреационного, оздоровительного, историко-культурного, научного, оборонного назначения.
Следовательно, вся суша представляется в виде совокупности ландшафтов. Под ландшафтом понимают генетически единую геосистему, однородную по зональным и азональным признакам и включающую специфический набор локальных систем: местностей, урочищ, фаций.
Одной из главных задач экологического картографирования является уяснение исходного состояния природной среды, подвергшейся антропогенному воздействию. Поэтому крайне необходима информация о естественной дифференциации природной среды, характере ландшафтного (биогеоценологического) покрова. Только в этом случае возможно планирование рационального и экологически сбалансированного природопользования. Комплексную характеристику естественной природной неоднородности дает ландшафтная карта.
В Саратовской области в соответствии с увеличением континентальности климата с северо-запада на юго-восток в субширотном направлении сменяют друг друга лесостепная зона, степная и полупустынная. Саратовское Заволжье занимает 55 % территории области (Эколого-ресурсный атлас Саратовской области).
Саратовское Заволжье относится к числу наиболее засушливых зон в стране. В засушливые годы валовые сборы зерна по сравнению с благоприятными периодами снижаются более чем в 4 раза, в то время как в целом по стране в 1,5 раза. Всякие попытки предельно ограничить воздействие засухи путем проведения организационных и агротехнических мероприятий дают наибольший эффект лишь при условии орошения.
В результате недобора урожая с естественных угодий в острозасушливые годы выход животноводческой продукции снижается. Таким образом, общий недобор продукции составляет почти 40 % от сбора сельскохозяйственной продукции среднего года.
Быстрый рост мелиорированных земель и объемов производимой на них сельскохозяйственной продукции привел к созданию в этой зоне по существу новой отрасли – орошаемого земледелия.
В засушливые годы резко снижается объем заготовок сочных, грубых и концентрированных кормов, уменьшается поголовье скота и птицы.
По подсчетам специалистов общий ущерб от засух 1972 и 1975 годов в области составил 1278 млрд руб. Обосновывая роль мелиораций в обеспечении стабильности сельскохозяйственного производства, один из основоположников развития орошения в России академик А.Н. Костяков и ряд ученых отмечали, что потери продукции в результате одного крупного неурожая обходится государству дороже, чем стоимость мелиоративных работ.
- Водопользование в засушливой зоне
Роль А.Н. Костякова в формировании сельскохозяйственных мелиораций в нашей стране непреходяща. Он первый подошел к изучению проблем мелиораций как теоретик. Важнейшими достижениями А.Н. Костякова в построении мелиоративной науки являются:
постановка в основу преобразований природной среды требований растений к условиям жизни;
использование количественных методов расчета необходимых мелиоративных воздействий и, прежде всего, метода водного баланса;
подход к сельскохозяйственным мелиорациям как к природно-технической системе, в которой должно достаточно точно учитываться взаимодействие ее составных частей /Е.П. Галямин, 1990/.
В настоящее время большое внимание стало уделяться вопросам сохранения почвенного плодородия.
Все эти важнейшие направления получили в последние десятилетия 20-го века значительное развитие в работах учеников и последователей А.Н. Костякова. И в каждом из направлений четко прослеживается фундаментальное влияние его идей. Можно без преувеличения сказать, что без работ А.Н. Костякова теоретическая мысль в области мелиораций не могла достигнуть современного уровня. А без этого трудно представить себе и достижение практических результатов в области создания гидромелиоративных систем, по крайней мере, лучших из них.
Современные гидромелиоративные системы, особенно создаваемые в засушливой зоне, представляют собой сложнейшие природно-технические и хозяйственные комплексы. Обычным стало, когда одним водозаборным сооружением вода подается для орошения десятков, а иногда и сотен тысяч гектаров земель. Достигла значительного совершенства техническая оснащенность ГМС: каналы с противофильтрационным покрытием, крупные насосные станции, гидротехнические сооружения с автоматическими регуляторами, телемеханизация процессов управления, широкозахватная дождевальная техника, искусственный дренаж и др. Усложнилась организационная структура управления гидромелиоративными системами. Органы управления ГМС включают в себя как территориальные, так и функциональные организации: областные и районные органы, управления каналами, водохранилищами, насосными станциями. Имеются специальные ремонтные и наладочные предприятия, обеспечивающие поддержание технических средств ГМС в работоспособном состоянии. И все эти коллективы людей должны четко взаимодействовать между собой для достижения единственной цели, ради которой создаются гидромелиоративные системы – получения сельскохозяйственной продукции и сохранение почвенного плодородия.
Орошение в этой зоне сильно зависит от количества осадков, неравномерности их распределения, засух и суховеев и является важнейшим средством интенсификации сельского хозяйства.
Особенно крупные работы по развитию орошения в этой зоне были выполнены после 1966 года. Наряду с увеличением объема производства сельскохозяйственной продукции были отмечены негативные экологические последствия орошения, вызванные усилением вымывания питательных веществ из почв в результате интенсификации промывного режима, изменением условий почвообразования: от автоморфных к гидроморфным или полугидроморфным на орошаемых территориях /И.П. Айдаров, А.И. Голованов, 1990/.
Деградация почв наблюдается почти во всех зонах развития оросительных мелиораций. В Саратовской области хорошее мелиоративное состояние наблюдается на участках, где грунтовые воды залегают на глубине более 5 м, а почвы не засолены и не солонцеваты (330299 га или 72,1 % площади орошаемых земель). На участках с глубиной залегания грунтовых вод от 5,0 до 3,0 м и имеющих слабозасоленные или слабосолонцеватые почвы (63203 га или 13,8 %) оно удовлетворительное, а менее 3,0 м и почвы засолены (64917 га или 14,1 %) неудовлетворительное /А.И. Хохлов, 1996/.
Развитие мелиоративной науки подтверждает тезис о том, что выход из создавшегося положения возможен за счет оптимизации мелиоративных режимов орошаемых сельскохозяйственных земель. Гидромелиоративная система при ее проектировании и эксплуатации должна обеспечивать выполнение всех требований мелиоративного режима.
Мелиоративный режим – совокупность показателей, выражающих требования к регулируемым факторам почвообразования и развития растений /А.И. Голованов/.
Создание ГМС больших размеров породило проблемы, которые при жизни А.Н. Костякова так остро не стояли. Это проблемы управления гидромелиоративными системами.
Вопросы управления оросительными системами засушливой зоны разрабатываются в диссертации на примере Энгельсской оросительной системы.
Энгельсская оросительная система является одной из первых в Саратовской области. Первая очередь введена в эксплуатацию в 1965 г.
Валовая площадь системы – 17564 га, на 77 % орошаемых земель сеть открытая, на 23 % – закрытая. Протяженность оросительной сети 498 км, в том числе межхозяйственных каналов – 93,4 км, из которых 54,1 км облицованы железобетонными плитами.
На открытой сети поливы проводят дождеванием с применением машин ДДА-100МА, ДДН-70 и «Кубань», на закрытой сети – широкозахватной техники «Фрегат», «Днепр» и «Волжанка».
Отмечена большая изменчивость погодных условий, за вегетационные периоды недостатки водопотребления изменялись от 935 до 142 мм, т.е. в 6,6 раза, за отдельные месяцы – от 187 до 29 мм или в 6,4 раза.
Для выяснения влияния изменения недостатков водопотребления на режимы орошения определены значения величин (Ео-Р) по декадам в характерные годы 5, 25, 50, 75, 95% обеспеченности за два периода по 25 лет (1951-1975 гг. и 1956-1980 гг.) (Ео – испаряемость, Р – осадки).
За 2 периода по 25 лет с интервалом 5 лет освоения Энгельсской оросительной системы отмечено уменьшение недостатков водопотребления за вегетацию на 60-120 мм и для отдельных месяцев 4-44 мм. За годы эксплуатации недостатки водопотребления уменьшаются на значительную величину по мере интенсификации орошения на больших площадях (табл. 2).
Таблица 2
Недостатки водопотребления (Ео-Р) в годы различной обеспеченности
по двум периодам 1 – 1951-1975 гг. и 2 – 1956-1980 гг., мм
| Р% | Месяцы | |||||||||||||
| 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 04-09 | ||||||||
| 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | |
| 95 | 96 | 96 | 180 | 180 | 223 | 195 | 192 | 185 | 234 | 190 | 125 | 125 | 1050 | 971 |
| 75 | 61 | 57 | 126 | 123 | 151 | 147 | 166 | 141 | 155 | 143 | 100 | 88 | 759 | 699 |
| 50 | 44 | 38 | 93 | 88 | 129 | 113 | 129 | 101 | 113 | 103 | 73 | 54 | 581 | 497 |
| 25 | 25 | 22 | 69 | 64 | 110 | 82 | 95 | 80 | 75 | 69 | 54 | 43 | 428 | 360 |
| 5 | 7 | -4 | 16 | -30 | 69 | 12 | 64 | 59 | -4 | -4 | 7 | 4 | 159 | 37 |
Величины поливных норм зависят от плотности почв, наименьшей влагоемкости, глубины расчетного слоя и предполивной влажности. При планировании водопользования недостаточно учитывались водно-физические свойства почв. Основной почвенный фон на системе составляют темно-каштановые почвы, расположенные на I, II, и III террасах реки Волги.
Для оценки влияния механического состава почв на величины поливных норм проведен анализ плотности образцов почв по 20 квадратам на территории системы. Образцы отбирались экспедицией ГГИ (одна точка на 900 га), обработка данных выполнена Рыбкиным В.Н. Подсчитаны среднеквадратичные отклонения и коэффициенты вариации для каждого слоя. Определена средняя плотность слоя для 20 точек. Значения коэффициентов вариации уменьшаются с глубиной, снижается уровень пространственной неоднородности.
Для определения величин поливных норм в критические периоды при лимитированном водозаборе большое значение приобретает уточнение гидромодульного районирования земель. Выполнен анализ плотностей почв до глубины 1 м, выделены две генеральные совокупности почв: легкосуглинистые и среднесуглинистые:
| Почвы | Легкосуглинистые | Среднесуглинистые |
| Плотность почвы | = 1,29 т/м3 | = 1,41 т/м3 |
| Среднеквадратичное отклонение | х = 0,0472 т/м3 | х = 0,485 т/м3 |
| Коэффициент вариации | Сv = 0,0365 | Сv = 0,0344 |
Результаты расчетов на ЭВМ подтвердили независимость двух совокупностей. Уточнено гидромодульное районирование земель системы для планирования водопользования.
На Энгельсской оросительной системе сложился ирригационный тип режима грунтовых вод, связанный с подачей воды и режимами орошения. Створ скважин расположен на орошаемых землях, которые освоены с 1965 года. Наблюдения по 4 скважинам начались с 1966 года. В первые годы эксплуатации глубина грунтовых вод составляла 14,5...16,5 м. За период 1966 - 1981 гг. грунтовые воды поднялись до 5...6 м, на некоторых участках после поливов уровень грунтовых вод устанавливался в 2...3 м от поверхности земли. Подъемы грунтовых вод происходили за счет потерь из оросительной сети и инфильтрации при поливах дождевальными машинами ДДА-100М, ДДН-70, «Фрегат», «Днепр», «Волжанка».
Максимальные УГВ наблюдались к концу вегетации, что подтверждает ирригационный характер их питания, ежегодное повышение УГВ составляло 0,6-1,0м.
Забор воды из реки Волги и распределение воды между хозяйствами проводится по плану, который составляется на основе хозяйственных планов водопользования. При планировании водопользования принимаются режимы орошения, рекомендованные Управлением эксплуатации оросительной системы для различных сельскохозяйственных культур. Оросительные нормы брутто за период 1966-2001 гг. составляли 3150-11000 м3/га. По анализу эксплуатационных данных после окончания строительства II очереди системы норма водозабора составляла 3-8 тыс. м3/га. В засушливом 1972 г. на поля было подано в 1,4 раза больше воды, во влажном 1973 г. в 1,41 раза меньше, чем необходимо по условиям погоды.
За период 1972-2001 гг. повышенные подачи воды в систему отмечены 4 года - 1974, 1976, 1977, 1980. Превышение подачи составляло 2,5-0,5 тыс. м3/га за вегетацию. Эта вода пополняла грунтовые воды. Значительные отклонения в сторону заниженной подачи воды отмечены в годы 1973, 1975, 1979, 1981, что привело к снижению урожайности.
Анализ эксплуатационных данных по водопользованию на Энгельсской оросительной системе показывает необходимость улучшения планового водопользования на оросительных системах засушливой зоны с учетом критических периодов по отдельным декадам вегетации.
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований
по регулированию водного режима орошаемых
земель в Саратовском Заволжье
Общей теоретической основой для разработки методов и технологий комплексного регулирования водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель является положение о совместном управлении геологическим и биологическим круговоротами воды, солей и питательных веществ.
Исследования выполнялись под руководством и при непосредственном участии автора.
Задачи оптимизации режимов орошения в условиях дефицита природных ресурсов, рассмотрены в работах И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Л.М. Рекса и др.
Принципы и технологии регулирования и управления водно-солевым режимом почв плодотворно разрабатывали Б.Б. Полынов, Л.П. Розов, А.Н. Костяков, В.А. Ковда, В.Р. Волобуев, Н.И. Базилевич, С.Ф. Аверьянов, В.М. Легостаев, А.И. Голованов, И.П. Айдаров, Ф.М. Рахимбаев, Б.А. Зимовец, Э.А. Соколенко и др.
В связи с обострившейся проблемой воздействия гидротехнических мелиораций на почву и окружающую среду в последнее время все актуальней становится необходимость дальнейшего развития взглядов В.Р. Вильямса и А.Н. Костякова на сельскохозяйственные мелиорации как на комплекс мероприятий по управлению геологическим круговоротом воды и питательных веществ в системе «атмосфера-растение-поверхностная вода-почва-подземные воды». Отражением такого подхода к мелиорации земель явилось положение о мелиоративных режимах и экологические принципы регулирования гидрохимического режима орошаемых земель, которые создаются комплексом гидротехнических и агротехнических мероприятий /Н.М. Решеткина, И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Н.И. Парфенова/.
В связи с развитием орошения в ряде регионов Саратовского Заволжья расширяется круг вопросов, которые обычно решаются при проектировании оросительных систем, возникают принципиально новые вопросы экологобиосферного характера. При этом одной из основных задач является оценка возможных изменений почвенных и экологических процессов при изменении гидротермического режима, что требует дальнейшего развития теории современных почвообразовательных процессов и определения соответствующих им экологически безопасных оросительных норм. Это нашло отражение в работах И.П. Айдарова.
Исследования проводились на опытно-производственных участках Энгельсской оросительной системы в 1975-1980 гг. Определялись поливные нормы брутто и нетто, равномерность увлажнения почвы на площади, глубина промачивания, режимы влажности почвы в зависимости от продолжительности поливов и межполивных периодов, расходование влаги в межполивном периоде из различных слоев почвогрунта.
Проведен анализ замеров 130 поливных норм. Отмечена значительная неравномерность увлажнения полей. В течение вегетационных периодов на посевах люцерны значительно изменялись режимы орошения, поливные нормы брутто составляли от 18 до 60 мм. Максимальное среднесуточное водопотребление люцерны при температуре воздуха 26,1оС достигало 3,03 м3/га на 1оС в сутки при влажности почвы 0,93 НВ.
Для планирования и осуществления водопользования на оросительных системах засушливой зоны необходимо накапливать опытные данные по установлению среднесуточного расходования влаги полем (Е±g) м3/га на 1 градус температуры воздуха для отдельных культур по периодам развития растений. Эти значения в среднем за июль по замерам определены в пределах 1,5-3,7.
Коэффициенты использования осадков принимались с учетом рекомендаций В.В. Колпакова в зависимости от увлажненности почвы в расчетные интервалы времени. Для каждого периода вегетации устанавливали приходные статьи: используемые осадки (Р) и резерв влаги в почве при увеличении активного слоя (W). Расходные статьи: транспирация (Тр) и испарение (И) воды растениями и почвой (Е-Тр+И), ±g – влагообмен почвы с подстилающим слоем. На конец расчетного периода определяли конечный запас (Wк)
(1)
Поверхностный сброс на опытно-производственных полях отсутствовал. При расчетном слое h =1,0 м, W=0.
(2)
Суммарное испарение определялось расчетным способом с использованием данных по опытным участкам и ближайшей метеостанции. Биологические коэффициенты принимались дифференцированно для каждого расчетного интервала каждой культуры.
Рассчитаны величины влагообмена в зоне аэрации по результатам полевых исследований на опытно-производственных полях. Отмечено, что поток влаги в почве меняет величину и направление в связи с колебаниями температуры и влажности почвы.
Определено, что при средней влажности почвы в течение исследуемого периода вегетации (0,7-0,85)НВ влагообмен ниже расчетного слоя 1,0 м составлял 3-21 % и при влажности (0,86-1)НВ – 20-50 % от величины суммарного испарения.
- РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ
МЕЛИОРАТИВНЫХ РЕЖИМОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В САРАТОВСКОМ ЗАВОЛЖЬЕ
Обобщенный метод определения потребности оросительной системы
в водных ресурсах
В настоящее время существуют методы, позволяющие рассчитывать оперативные планы водопользования с учетом влияния всех значимых факторов. Применение этих методов на практике может существенно улучшить состояние водопользования. Однако эти методы требуют больших расчетов, проведение которых в современных условиях в большинстве хозяйств не обеспечено квалификацией кадров, вычислительной техникой, организационными условиями и, самое главное, не вызывается реальной материальной заинтересованностью в рациональном водопользовании и экономических результатах производственной деятельности. Это приводит к тому, что в большинстве случаев заявки на воду, подаваемые в УОС (Управление оросительной системы) ежедекадно не отвечают истинным потребностям, значительно завышены, что вызывает большие переполивы, приводящие к подъему уровня грунтовых вод и непроизводственному сбросу неиспользованной воды за пределы оросительной системы.
Отсюда возникает потребность в более жестком контроле реальной потребности в воде хозяйств-водопотребителей (корректировка заявок на воду) УОСом и более точное определение необходимого водозабора в систему.
В основу такого контроля может быть положен так называемый «макроподход», позволяющий рассчитать количество воды, которое необходимо подать на приведенный (средневзвешенный) гектар орошаемой площади. Этот показатель можно определять для достаточно больших массивов: точки водовыдела, хозяйства, оросительной системы в целом. В основе такого подхода лежит достаточно обоснованное представление о том, что на больших территориях орошаемых земель объем подаваемой воды за декаду равен объему водопотребления на нем. В этом случае при расчете водоподачи на севооборотный массив и водозабора в оросительную систему можно не учитывать состояние водного режима и водного баланса на конкретном орошаемом поле.
Воспользовавшись «макроподходом» можно на уровне УОС производить определение объемов и расходов воды для оценки верхней границы потребностей в ней хозяйств-водопользователей и всей системы в конкретных погодных условиях текущей декады.
Наличие такой методики дает в руки УОС инструмент для контроля заявок хозяйств-водопользователей и более точного распределения воды между ними. Основой методики является расчет величин дефицита водопотребления для декад разной обеспеченности по этому фактору.
Методика отрабатывалась на материалах Энгельсской ОС. Площадь системы составляет 17564 га, на ней насчитывается около 350 полей при средней величине орошаемого участка 50 га.
Приведем краткую иллюстрацию состояния водопользования на Энгельсской системе – сопоставление планового и фактического водопотребления.
В настоящее время расходы (объем) забора воды из источника орошения и распределения ее между хозяйствами устанавливаются по системному плану, который составляется на основе хозяйственных планов водопользования. При планировании водопользования принимаются режимы орошения, рекомендованные областным производственным управлением мелиорации и водного хозяйства на основании разработок ВолжНИИГиМ.
Ежегодно по результатам предыдущего года рекомендуемые режимы орошения изменяются. Оросительные нормы брутто изменялись за период 1966...2001 гг. с 3150 до 11000 м3/га (фактические).
Расчетные оросительные нормы определялись по уравнению водного баланса
 | (3) |
где Ео – испаряемость; Р – осадки; W – запасы влаги в почве. Определены расчетные нормы брутто за вегетационный период с учетом состава культур на систем
 | (4) |
где с.к. – коэффициент полезного действия сети каналов системы.
При сравнении фактических и расчетных норм выяснено, что в сухие годы наблюдается недополив сельскохозяйственных культур, в результате недобор урожая: во влажные годы фактические нормы превышают расчетные, ухудшается мелиоративное состояние земель, происходит недобор урожая.
Из 10 лет водоподача приближалась к расчетной только в 2-х годах.
Расчеты по предлагаемой методике выполняются в следующем порядке:
1. Собираются климатические данные за последние 25 лет по декадам: о температуре воздуха, осадках, относительной влажности воздуха в зоне системы. Данные одной метеостанции могут быть использованы для территории в радиусе 15...20 км;
2. Для всех лет по декадам (месяцам) за периоды апрель-сентябрь проводятся балансовые расчеты по определению недостатков водопотребления
 | (5) |
где М – недостаток водопотребления; Е – водопотребление; – биоклиматический коэффициент, полученный на основании экспериментальных данных; Ео – испаряемость; Р – осадки, для расчетов принимают данные метеорологических станций; W – используемые запасы влаги из почвы при глубине грунтовых вод глубже 3 м; ±g – влагообмен почвы с подстилающимслоем.
 , | (6) |
где h – средняя за вегетацию глубина грунтовых вод, м; е – основание натурального логарифма; m – параметр, зависящий от влагопроводности почв.
Значения emh принимают по данным Государственного гидрологического института (ГГИ) в зависимости от механического состава почв и глубины грунтовых вод (табл. 3);
Таблица 3.
Значения emh
| Почвы | Глубина грунтовых вод, м | ||
| 1...2 | 2...3 | 3...4 | |
| Легкие | 5,2 | 9 | 27 |
| Средние | 3,3 | 5 | 11 |
| Тяжелые | 2,9 | 4,1 | 8,2 |
3. По каждой декаде (месяцу) за период с апреля по сентябрь определяются характерные величины М (недостатки водопотребления) для обеспеченностей 5, 25, 50, 75 и 95 %, для чего величины М располагаются в убывающем порядке и определяются их значения при разных расчетных обеспеченностях. Выписываются расчетные величины М за вегетацию (апрель-сентябрь) для фактических расчетных лет (лет одинаковых обеспеченностей по всем декадам);
4. Определяются расчетные ординаты гидромодулей по декадам (месяцам) для характерных фиктивных лет
 л/сга, | (7) |
где t – число суток; – доля площадей, поливаемых по системе.
Сравниваются расчетные ординаты с ординатами, которые были приняты в проекте и рекомендованы для определения расчетных расходов по периодам;
5. На основе сравнения ординат разрабатываются предложения по уточнению режимов работы системы. Составляются расчетные графики работы системы в характерные годы. При сравнении следует выделить – какой объем воды по месяцам понадобится подать, как использовать сток для орошения в годы 5, 25,50, 75 и 95 % обеспеченности. Устанавливаются пики расходов в отдельные декады (месяцы) и намечаются меры по их устранению: проведение влагозарядки, заполнение прудов, изменение режимов орошения и др. При снижении пиков водопотребления в отдельные периоды повысится оросительная способность системы и эффективность орошения;
6. Для организации планового водопотребления на системах составляются расчетные графики гидромодулей – для системы, для эксплуатационных участков и для каждого хозяйства.
Графики составляются для фиктивных характерных лет 5, 25, 50, 75 и 95 % обеспеченности по недостатку водопотребления по декадам (месяцам) с учетом гидромодульного районирования.
Графики гидромодулей составляются на 5 лет для оперативного водопользования.
По расчетным графикам гидромодулей будут вестись расчеты лимитов подачи воды Q в точки выдела и на отдельные массивы, а также проводиться корректировки планов водопользования по декадам (месяцам)
 | (8) |
где q – ординаты гидромодуля для одной из декад (месяцев) одного из характерных лет; – площади орошения; – коэффициент полезного действия сети.
По фактическому состоянию погоды или прогнозу выбирается одна из пяти ординат в зависимости от соотношений (Е-Р).
Эксплуатационная служба через каждые 5 лет должна обновлять расчетные графики гидромодулей с учетом новых климатических данных и изменившихся условий мелиоративного состояния земель. По расчетным графикам гидромодулей должны вестись расчеты лимитов подачи воды в точки выдела и на отдельные массивы, а также проводиться корректировки планов водопользования по декадам (месяцам).
По предлагаемой методике проведена оценка режимов работы Энгельсской оросительной системы за период с 1951 по 2001 гг.
Методика расчета поливного режима сельскохозяйственных культур
с учетом вероятностного характера погодных условий
Составляемые заранее на весь вегетационный период внутрихозяйственные планы водопользования не могут быть реализованы, так как конкретный год, в который осуществляется орошение, никогда не совпадает ни с одним из характерных лет. Текущее планирование для характерных лет необходимо только при проектировании организации орошения на предстоящий год, для ориентации общего направления хозяйственной деятельности в типичных погодных условиях. Фактическое водопользование может проводиться только на основании оперативных планов, составляемых на предстоящую декаду. Методика составления оперативного плана такая же, как и методика составления текущего плана. Ее отличие и преимущество по сравнению с текущим планом состоит в том, что при оперативном планировании может быть реализована обратная связь, то есть учтено фактическое состояние объекта на начало планирования (влагозапасы почвы и состояние посевов сельскохозяйственных культур), что делает оперативный план гораздо более точным, чем план текущий. Однако и при составлении оперативных планов производственники сталкиваются с принципиальными трудностями, которые вызваны стохастической природой погодных условий и недостаточным развитием методов декадного метеорологического прогноза. Гидрометслужба в настоящее время дает прогнозы температуры воздуха на высоте 2 м и декадной суммы осадков.
Прогноз температуры воздуха выдается в виде среднедекадных температур с доверительным интервалом ± 2,50С. Прогноз считается оправдавшимся, если фактическая температура попадает в доверительный интервал. По неофициальным оценкам Гидрометслужбы оправдываемость такого прогноза составляет около 0,8. Прогноз осадков выдается в виде карт, на которые наносятся изолинии отклонений величины осадков от нормы. Оправдываемость прогноза осадков ниже оправдываемости прогноза температуры.
Исходя из этого, при расчете режима орошения конкретной сельскохозяйственной культуры в конкретный год нужно принять решение о том, какой информацией следует пользоваться для расчета потребности в оросительной воде на предстоящую декаду. Здесь возможны три подхода.
- Использование данных прогноза среднесуточных температур и декадных сумм осадков.
- Использование метеорологической информации о среднемноголетних значениях среднесуточной температуры, сумм осадков соответствующей декады.
- Выбор максимального эффекта (Э) из минимальных при различных вариантах управления (max-min Э), или, что то же самое, минимального ущерба У из максимально возможных при тех же управлениях (max-min У).
При использовании первого подхода (полное доверие прогнозу) результат получается наилучшим, его прогноз действительно оправдывается, однако, при неоправданности прогноза могут быть существенные ущербы, т.е. резкое понижение эффективности. Таким образом, использование оптимального прогноза связано с риском, степень которого трудно оценить.
При ориентации на среднемноголетние данные в большинстве случаев не обеспечивается возможность получения максимальной эффективности орошения, естественно, кроме того случая, когда конкретный год будет соответствовать или близок к среднему. Однако возможные ущербы при этом подходе, как правило, будут меньше, чем при первом подходе, так как ситуация, из которой мы исходим при принятии решений о назначении полива, меньше отклоняется от возможного реального сухого или влажного года. Поэтому риск при принятии такого осторожного решения будет меньше, чем при первом подходе.
Суть третьего подхода состоит в том, что при принятии решений мы ориентируемся на худшие из возможных погодных условий. Этот подход обычно называют методом гарантированного результата. Это означает, что при любых исходах погоды, мы не получим никогда (в пределах заданных ограничений по обеспеченности дефицита водопотребления) эффективности ниже, чем запланировали. Однако при этом теряется тот эффект, который мог бы быть получен при ориентации на среднемноголетние данные и еще больший эффект, который мог бы быть получен при ориентации на полное доверие прогнозу в случае его полной оправдываемости.
Третий подход характеризуется отсутствием риска. Для сравнения этих методов необходимо сформулировать критерий, по которому можно оценивать их эффективность.
Основной целью орошаемого земледелия является получение урожая сельскохозяйственных культур. Следовательно, казалось бы, чем выше урожай, который можно получить при орошении с использованием данного метода, тем лучше метод. Однако исследования последних лет показали, что получение высоких урожаев при орошении на черноземных и близких к ним разновидностях почв сопряжено с негативными последствиями - интенсивной сработкой запасов гумуса почвы и снижением ее плодородия. Эти последствия носят долговременный характер, являются труднообратимыми, а в определенных условиях и необратимыми. Поэтому, каждый раз при принятии решения о режиме орошения дополнительный эффект от орошения должен соизмеряться с тем ущербом, который получается в результате уменьшения содержания гумуса в почве. Процесс сработки почвенного гумуса в основном связан с температурным и влажностным режимом почв и вызывается, с одной стороны, активизацией микробиологической трансформации гуминовых веществ при повышении как температуры, так и влагосодержания почв, с другой стороны – вымывом за пределы активного слоя почвы легко растворимых гуминовых фракций с потоком инфильтрационной жидкости. В одном кубометре почвенной воды растворяется от 0,5 до 1,5 кг гумуса. Стоимость 1 кг гумуса составляет 0,5 руб. При инфильтрации 1 м3 почвенной воды ниже расчетного слоя теряется минимум 0,25 руб. за счет вымыва гумуса. Кроме того, при инфильтрации почвенной влаги происходит вымыв и других компонентов, в частности ионов Са, от которых зависят водно-физические свойства почвы, ее структура.
Известно, что интенсивность инфильтрации воды за пределы расчетного слоя существенным образом зависит от его влажности, поэтому с увеличением влажности растет инфильтрация. Зависимость инфильтрации от влажности почвы может быть рассчитана, например, по формулам Ю.Н. Никольского, А.И. Голованова и другим.
С другой стороны, с увеличением влажности в определенных пределах происходит рост урожайности. Таким образом с ростом урожая растет прибыль от его реализации и растут ущербы от ухудшения плодородия почвы. Естественно, можно предположить, что существует такой режим орошения, при котором величины выражения С - У max, т.е. можно поставить задачу об оптимизации режима орошения, где С - стоимость продукции, У – ущерб.
Учитывая, что мы рассматриваем вопрос о выборе режима орошения в условиях полной водообеспеченности, определение сроков и норм полива будет полностью зависеть от установленных пределов допустимой влажности почвы и от принятого подхода к выбору исходной погодной информации для расчета дефицита водопотребления на предстоящую декаду (для первого и второго подходов). Для третьего подхода он будет зависеть от выбора доверительного интервала по дефициту водного баланса и возможных управляющих воздействий. Для конкретизации и оценки возможностей рассмотренных методов определения оперативных планов поливного режима нами проведены сравнительные расчеты. Принята сельскохозяйственная культура люцерна, почвы темно-каштановые.
По данным Ю.Н. Никольского и В.В. Шабанова, влажность почвы, при которой получается максимальный урожай люцерны, составляет около 0,8 WНВ, поэтому для получения максимальных урожаев необходимо поддерживать влажность почвы в пределах (0,7...0,8) WНВ, однако такой водный режим будет сопровождаться значительными потерями от ухудшения почвенного плодородия.
В качестве второго варианта расчеты велись при изменении влажности при орошении в пределах (0,6...0,8) WНВ. Этот режим является экологически щадящим, приводящим к меньшим потерям гумуса и кальция. В то же время он вызывает недобор урожая. Согласно фактическим наблюдениям в хозяйствах Энгельсской системы, максимальный урожай люцерны составляет порядка 10 т/га сена, эту величину мы приняли за максимальную в своих расчетах. При третьем подходе (min-max У) назначения сроков и норм полива в качестве управляющих воздействий принимались поливные нормы m = 0, 400, 600 м3/га. При каждой из этих поливных норм, планируемых на расчетную декаду, вычислялись ущербы (за счет потерь урожая в результате снижения влажности по сравнению с биологически оптимальной и за счет вымыва гумуса и кальция) при дефицитах водопотребления соответствующих влажному – 25 % обеспеченности и сухому – 75 % обеспеченности годам (по недостаткам водопотребления).
При использовании первого и второго подходов полив в расчетах назначался по достижени нижнего порога заданной влажности. Получить реальные результаты при использовании метода полного доверия прогнозу в нашем случае не представлялось возможным из-за отсутствия реальной информации о прогнозе и его реализации (год 1981 – 25 % обеспеченности). Поэтому расчет проводился по фактическим данным расчетного года, которые отождествлялись с прогнозом, т.е. предполагалось, что прогноз полностью осуществился.
Расчет по этому методу дает наилучший из возможных результатов при данной предполивной влажности.
Назначение поливов при использовании среднемноголетних данных показывает, какие потери мы несем из-за отсутствия прогноза погоды.
Пессимистический (min-max У) подход позволяет оценить, каких результатов мы можем достигнуть, не рискуя.
Расчет поливного режима люцерны для года 75 % обеспеченности (1981 года) по дефициту водного баланса (Ео-Р) выполнен тремя способами. В расчетах учитывались вид культуры, влажность расчетного слоя почвы, величина влагообмена с нижележащими слоями почвы. Выбор варианта управления (назначения поливной нормы) проводился на основе подсчета ущерба от снижения урожайности люцерны от недополива и ущерба от вымыва гумуса, кальция, затрат на подачу воды на поле при различных уровнях влажности почвы (табл. 4).
Для расчета водного режима использовалась следующая формула
 | (9) |
где W2 – влажность слоя почвогрунта на конец декады;
W1 – влажность слоя почвогрунта на начало декады,
где 
(10)
t = 10 суток – декада; h = 1,0 м величина расчетного слоя; m1 = 0,45 – пористость почвы; Wo = 0,15 - максимальная молекулярная влагоемкость; m - величина поливной нормы (задается); g(w) – инфильтрация ниже метрового слоя почвы, определяется по средней влажности почвы за декаду по графику, построенному по формуле Ю.Н. Никольского; (Е-Р) – принимаются при значениях, ±2. При расчетах по среднемноголетним данным (Е-Р) – при, а при расчетах по методу (min-max У)
 | (11) |
Для определения ущерба урожая от недополива использовалась зависимость
 | (12) |
где У – проектная урожайность в конкретные годы или в среднем за многолетний период; Уmax - максимальная урожайность, получаемая в передовых хозяйствах с аналогичными почвами или на сортоиспытательных станциях; Ку – коэффициент снижения урожайности за счет неблагоприятного водного режима мелиорируемых земель; Ко, Кwi Ki, Ki – коэффициенты, учитывающие снижение урожайности в результате соответственно: запаздывания со сроками сева, отклонений от оптимальных значений влажности почвы W, уровня грунтовых вод и периодических колебаний уровня грунтовых вод с амплитудой ; аi – вес фазы, отражающий чувствительность растений в каждой фазе развития с порядковым номером i к отклонениям водно-воздушного режима почвы от оптимальных условий.
Урожайность люцерны при полной водообеспеченности принималась по данным хозяйства У = 10 т/га за 4 укоса, Кwi и аi принимаем соответственно по данным В.В. Шабанова. Ki и Ki принимаем равными 1 при глубоких уровнях грунтовых вод.
Величина оросительной нормы М при расчете по методу min-max У составила 4200 м3/га при средней влажности расчетного слоя почвогрунта 0,63 НВ в течение вегетационного периода люцерны.
При расчетах поливного режима для сухого 1981 года с использованием среднемноголетних данных норма орошения М была 4400 м3/га, влажность расчетного слоя - 0,65 НВ.
Расчет поливного режима люцерны с использованием прогноза, выдававшегося гидрометслужбой в 1981 году показал. Что оросительная норма должна была составить 4800 м3/га, при средней влажности – 0,68 НВ.
Сравнение поливного режима, рассчитанного различными методами, позволяет сделать вывод о возможности применения при оптимальном планировании метода «min-max У», и метода с использованием среднемноголетних погодных данных.
В таблице 4 приведен пример выбора величины управляющего воздействия при 3-м подходе. Все расчеты выполнялись по формулам (9), (10), (12). Так, при величине поливной нормы m = 600 м3/га, инфильтрация воды за пределы расчетного слоя будет g = 170 м3/га, стоимость вымыва гумуса составит в денежном выражении 0,25 х 170 = 42,5 руб/га. Стоимость вымыва ионов Са принята 8 руб/га. Затраты на воду принимаются в зависимости от величины поливной нормы и замыкающих затрат на воду в источнике, поличаем 432 руб/га.
Расходы на электроэнергию рассчитываются по формуле
 руб/га | (13) |
где m = 600 м3/га – величина поливной нормы; Н = 100 м – средневзвешенный годовой напор; S – тариф на электроэнергию; 0,004 – удельные затраты на электроэнергию для подъема 1 м3 воды на высоту 1 м (кВт.ч).
Таблица 4
Расчет ущерба при орошении различными нормами,
III декада июня, min-max У, руб/га
| Вари- анты полива, м3/га | Сухой год | Ущерб | Влажный год | Ущерб | |||||||
| вымыв гумуса | Са | Стои-мость воды | Стои-мость эл. энергии | недо-бор урожая | вымыв гумуса | Са | Стои-мость воды | Стои-мость эл. энергии | |||
| 0 | - | - | - | - | 490 | 490 | 42,5 | 8 | - | - | 42,5 |
| 400 | 27,5 | 8 | 7,2 | 1,6 | 19,6 | 64,2 | 42,5 | 8 | 7,2 | 1,6 | 59,3 |
| 600 | 42,5 | 8 | 10,8 | 2,4 | - | 63,7 | 50 | 8 | 10,8 | 2,4 | 71,2 |
Ущерб от недобора урожая можно получить при использовании графиков и зависимостей Ю.Н. Никольского и В.В. Шабанова. В данном случае при поливной норме m = 600 м3/га во влажный год он будет составлять 72,1 руб/га.
В таблице 4 выполнены расчеты ущербов для условий сухих и влажных лет. Согласно методике выбора варианта управляющего воздействия в начале выбираются максимальные ущербы по каждому варианту расчетов при величинах
| M = 0 м3/га; | Уmax = 490 руб/га |
| m = 400 м3/га; | Уmax = 64,2 руб/га |
| m = 600 м3/га; | Уmax = 71,2 руб/га |
а затем выбирается минимальный ущерб Уmin = 64,2 руб/га при m = 400 м3/га. Управляющее воздействие при m = 400 м3/га считается оптимальным и применяется в дальнейших расчетах для текущего года.
Выбор того или иного метода принятия решения определяется целями хозяйства-водопользователя.
Оперативное определение сроков и норм поливов, основанное на
предварительных расчетах с использованием ЭВМ сезонных планов для различных сочетаний погодных условий
На современном этапе развития работ по управлению гидромелиоративными системами в зоне недостаточного увлажнения одной из наиболее актуальных проблем является совершенствование методов оперативного планирования водопользования, т.е. обеспечения такого поливного режима, который в наилучшей степени соответствует требованиям сельскохозяйственных растений. Для этого при расчете поливного режима необходимо учитывать реально складывающуюся погодную обстановку.
В настоящее время оперативное планирование водопользования в большинстве хозяйств осуществляется в форме корректировки сезонного плана, составленного в зимний период для года определенной расчетной обеспеченности. В этом плане невозможно учесть погодные условия предстоящего конкретного года. Поэтому установленные в них режимы орошения не соответствуют реальным требованиям сельскохозяйственных культур. Поливы, а следовательно, и заявки на оросительную воду, определяются на основании приближенных интуитивных оценок, поэтому этот метод может давать удовлетворительные результаты только при наличии в хозяйствах достаточно опытных агрономов и инженеров-гидротехников.
Попытки решить проблему оперативного определения сроков и норм поливов делались неоднократно. Однако при применении разработанных методов требуется использование ЭВМ непосредственно в процессе оперативного планирования. В перспективе это не будет вызывать затруднений, но в настоящее время в практике эти методы не применяются.
Более удобным является способ оперативного определения сроков и норм поливов, основанный на предварительных расчетах с использованием ЭВМ сезонных планов для различных погодных условий. В этом случае специалисты могут выбрать режим орошения, соответствующий реальным погодным условиям без проведения дополнительным расчетов. При этом выбранные сроки и нормы полива будут обеспечивать наилучшие условия роста и развития растений.
Сущность способа оперативного расчета
сроков и норм полива
В основу расчетов, как и во всех методиках оперативного планирования поливного режима, положено уравнение водного баланса орошаемого поля.
Для различных погодных условий, которые могут встречаться в данном районе, составляются таблицы. По этим таблицам в период вегетации производится определение конкретных дат полива и поливных норм. По уравнению водного баланса проводится определение запасов влаги в расчетном (корнеобитаемом) слое почвы на предстоящую декаду.
 | (14) |
где i - номер декады вегетационного периода рассматриваемой сельскохозяйственной культуры; п - число декад в вегетационном периоде; Wнi,Wкi - доступные растениям запасы воды в расчетном слое почвы соответственно в начале и конце декады; Ei - водопотребление сельскохозяйственной культуры; Рi - усвояемые атмосферные осадки; qi - поступление воды в расчетный слой почвы за счет капиллярного поднятия грунтовых вод; mi -поливная норма.
Запасы влаги в расчетном слое почвы, соответствующие наименьшей влагоемкости (WНВ), вычисляются по формуле
 мм, | (15) |
где Нi - глубина расчетного слоя почвы в i-ю декаду, м; - средняя по глубине плотность почвы, т/м3; нв - средняя по глубине влажность в долях от массы сухой почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости.
Запасы влаги в расчетном слое почвы, соответствующие предполивной влажности (Wп), составляют
 мм, | (16) |
где п - предполивная влажность в долях от веса сухой почвы; r - предполивная влажность в долях от влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости.
Значение r может быть разным для различных сельскохозяйственных культур и изменяться в течение вегетационного периода. Однако во многих случаях принимают r = 0,7.
В течение вегетации происходит постепенное углубление расчетного слоя почвы, что вызвано ростом корневой системы, поэтому Wнвi и Wпi должны постепенно возрастать.
В реальных условиях и нв должны меняться, так как за счет неоднородности водно-физических свойств почвы по глубине в результате увеличения расчетного слоя почвы должны изменяться его средняя плотность и средняя влагоемкость.
Доступные растениям влагозапасы в расчетном слое почвы в i-ю декаду могут изменяться от 0 до максимальной величины
 мм. | (17) |
Для расчета водопотребления используется формула Г.К. Льглва:
 мм. | (18) |
где ti – сумма среднесуточных температур воздуха в i-ю декаду;
Ki – биоклиматический коэффициент.
Биоклиматический коэффициент принимается на основании рекомендаций научных учреждений для каждой культуры и региона. Он изменяется в течение вегетационного периода.
Формула (18) принята для расчета потому, что в ее основе лежит температура воздуха. Это в настоящее время единственная метеорологическая характеристика, на которую дается декадный прогноз.
Каждая таблица составляется для всего вегетационного периода с разбивкой по декадам. Число таблиц для каждого поля зависит от диапазона изменения температур воздуха и атмосферных осадков, наблюдавшихся в районе расположения за многолетний период. Учитывая точность прогноза, расчеты проводятся для температур с шагом 50С. Например, если из имеющихся исходных данных на 25...30 лет видно, что температуры в период вегетации могут изменяться на 3-80С, то таблицы нужно составлять для температур t = 10, 15, 20, 25, 300С. Осадки в настоящее время гидрометеослужбой не прогнозируются, поэтому можно принимать их среднемноголетние значения для каждой декады соответствующего месяца при заданном температурном диапазоне. Например, из 25-летнего ряда наблюдений в 7 годах температура во II декаде июня была 20±2,50С. Все годы, в которые для данной декады среднедекадная температура находилась в таком диапазоне, выписываются в отдельную строку и им сопоставляется сумма декадных осадков, наблюдавшаяся в этой декаде за каждый год выборки. Затем вычисляется средняя декадная сумма осадков за эти годы. Если наблюдающийся диапазон изменения осадков (Оimax - Oimin) велик (более 15...20 мм), то его можно разбить на ряд интервалов, например, 0iк ±5, мм, к – номер интервала в i-й декаде, к =1,…, пi. Тогда число интервалов
 | (19) |
пi – округляется до целого. Интервал осадков, равный 10 мм, вполне приемлем с точки зрения точности выполнения расчетов, ошибка в величине составляющих водного баланса, равная 5 мм, допустима, так как она приведет к ошибке в дате полива не более, чем на 1...2 суток. Если выбирается несколько расчетных значений осадков при данной температуре, то для каждого сочетания tsi, Oki составляется отдельная таблица.
Расчет проводится для каждой декады вегетационного периода в следующем порядке. Выписываются сумма осадков и значения биоклиматических коэффициентов. Вычисляется величина водопотребления по формуле (18) и поступление воды в расчетную зону за счет капиллярного подпитывания. Затем определяется суточный дефицит водопотребления
 мм/сут. | (20) |
где ni – число дней в i-й декаде, ni = {10.11}. Теперь, задаваясь различными значениями начальных влагозапасов (Wн), можно определить нужен ли полив в текущую декаду, какого числа его провести и какой поливной нормой. Учитывая, что все составляющие водного баланса вычисляются с не очень большой точностью, начальные влагозапасы следует принимать в расчетах с разницей между ближайшими значениями 10...20 мм. Это приведет при выборе поливной нормы к ее изменению на 5...10 мм.
Оценки показывают, что для этого достаточно изменять Wн с шагом (0,05...0,10) Wн. Сначала принимается Wн = 0,1 Wнв и проводятся дальнейшие расчеты.
Определяются доступные влагозапасы в расчетном слое почвы на начало i-й декады.
 мм, | (21) |
и свободная влагоемкость в этом слое на тот же момент времени
 мм. | (22) |
Следующим шагом является определение даты полива при разных поливных нормах. Номер дня i- й декады (Nmi), в который нужно проводить полив поливной нормой ml, можно вычислить по соотношению
 сут. | (23) |
Здесь Dci – cуточный дефицит водопотребления, рассчитываемый по выражению (20).
В практике орошаемого земледелия в засушливой зоне России при использовании дождевальной техники обычно поливные нормы назначают кратными 10 мм и принимают равными ml = {0, 40, 50, 60} мм. Для этих значений вычисляются возможные даты поливов в каждой декаде.
После этого определяются влагозапасы в конце i-й декады для каждой поливной нормы
 мм | (24) |
Если в i-ю декаду не выполняется условие mli - Wcвi 0, то в эту декаду полив не предусматривается и принимается ml = 0.
Такие расчеты осуществляются для всех сельскохозяйственных культур при каждой tsi в диапазоне {tmin, tmax} с интервалом 50С, при каждом значении 0кi, каждых Wнi и ml.
В результате всего комплекса расчетов можно получить альбом таблиц для орошаемых полей севооборота.
Основные выводы и предложения
- Впервые для условий Саратовского Заволжья на основе системного подхода и теоретических обобщений выполнен анализ материалов, характеризующих агроклиматические и почвенные условия, где:
с использованием закона географической зональности почв Докучаева-Григорьева-Будыко был рассчитан и построен график внутризонального изменения агрохимических свойств почв в зависимости от гидротермического показателя;
определена почвенно-экологическая и биологическая продуктивность почв в зависимости от гидротермического показателя и количественных значений необходимых расчетных параметров, их оценки направленности и интенсивности биологического и геологического круговоротов;
на основе сравнительных расчетов биологической продуктивности почв и урожайности сельскохозяйственных культур в естественных условиях и после мелиорации, определена «граница оросительных мелиораций» в пределах агроклиматических зон с индексом сухости J = 1,0...1,8.
2. Практикой современного использования орошаемых земель и исследованиями установлено, что оросительные системы Саратовского Заволжья имеют большие резервы по дальнейшему совершенствованию методов оперативного управлениями водными ресурсами при изменяющихся стохастических условиях погоды, что является одной из важных задач повышения эффективности орошения.
На основании исследований на Энгельсской оросительной системе разработаны методики планирования и контроля водопользования на оросительных системах засушливой зоны. Основные положения методик внедрены в практику работы Энгельсской оросительной системы.
3. Разработана концепция управления процессами формирования экологически сбалансированных эксплуатационных режимов на орошаемых землях Саратовского Заволжья, обеспечивающая повышение продуктивности орошения, экономию воды и энергоресурсов, минимальные инфильтрационные потери. Проблема должна решиться с охватом комплекса технологических процессов по забору и рациональному распределению оросительной воды. Улучшение водопользования на системе - одна из основных первоочередных задач.
4. На основании анализа системных планов водопользования и годовых отчетов управления эксплуатации Энгельсской оросительной системы 1966-2000 гг. выявлено, что объемы заборов воды на орошение в годы различной засушливости значительно отличаются от плановых и расчетных значений. При стохастических условиях погоды недостаточно достоверных нормативных данных по эксплуатационным режимам орошения культур для планового водопользования.
5. Оптимальное суммарное водопоступление на территорию с развитым орошением составляет для условий Саратовского Заволжья (Энгельсская система) 7200 м3/га. Годовая его величина может достигать 11000м3/га.
6. Расчетами установлено значительное влияние погодных условий на режимы водопользования. За период 1951 по 1995 годы оросительные нормы по недостаткам водопотребления изменялись от 958 до 216 мм. Отмечались критические периоды в отдельные месяцы, когда не обеспечивались поливы, или были избытки воды в системе, которыми можно поливать дополнительные площади. Необходимо определять вероятностные режимы водопользования на основе анализа климатических данных за последние 25 лет и намечать мероприятия по устранению пиковых потребностей воды на орошение и по использованию оросительной воды на поливы дополнительных площадей.
7. Рекомендуется плановое водопользование на оросительных системах засушливой зоны проводить на основе дифференцированных режимов орошения. Определять для характерных по засушливости лет расчетные ординаты графиков гидромодуля по декадам, расчеты водоподачи проводить для года 75% обеспеченности. При проведении водопользования в начале декады корректировать расчеты заборов и подачи воды на орошение по прогнозу недостатков водопотребления.
8. Разработка методов оперативного и достаточно точного управления водными ресурсами оросительной системы засушливой зоны является важной задачей повышения эффективности орошения в этой зоне. На протяжении последних 30 лет ХХ века проводились исследования на Энгельсской оросительной системе, на основании которых разработаны методы планирования водопользования, основные положения методик внедрены в производство.
9. Экономическая эффективность рекомендуемых мероприятий от внедрения обоснованного в данной диссертации мелиоративного режима орошаемых земель и совершенствования водопользования в Саратовском Заволжье определялась по методическим рекомендациям Министерства сельского хозяйства РФ. Анализ расчетов показывает, что простой срок окупаемости составил семь лет, а чистый дисконтированный доход - 17611 руб/га. Сравнивая результаты можно сделать вывод, что внедрение научных разработок улучшает экономические показатели. Так простой срок окупаемости сокращается на один год, а чистый дисконтированный доход увеличивается в 1,12 раза.
Список опубликованных работ
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:
1. Обобщенный метод определения потребности оросительной системы в водных ресурсах //Мелиорация и водное хозяйство: научно-практический журнал. – М., 1998, двухмесячник, № 4. с. 4/2. Бегляров Д.С., Рыбкин В.Н. ISBN 0235-2524
2. Управление оросительными системами: состояние, проблемы и пути их решения. Монография. - М.: МГУП, 2006. – 217 с., 500 экз. Рыбкин В.Н. ISBN 5-89231-187-2
3. Анализ стохастического характера функционирования оросительных систем (на примере Энгельсской ОС) //Мелиорация и водное хозяйство: научно-практический журнал. – М., 2006, двухмесячник, № 4. с. 6/3. Буркова Ю.В., Рыбкин В.Н. ISSN 0235-2524.
4. Методика прогнозирования водопотребности на оросительных системах. //Мелиорация и водное хозяйство: научно-практический журнал. – М., 2007, двухмесячник, № 5. 6/3. Перминов А.В., Рыбкин. ISSN 0235-2524.
5. Анализ эксплуатационных данных по водопользованию //Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук.- М., 2008, двухмесячник, № 6, с. 33-34. ISSN 0869-3730.
6 Методика расчета режима орошения с учетом вероятностного характера погодных условий //Мелиорация и водное хозяйство. – М., 2008, двухмесячник, № 6, с. 39-41. Буркова Ю.Г., Рыбкин В.Н. ISSN 0235-2524.
7. Методика корректировки планового водопользования /Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – М., 2009, № 1, с. 40-41. ISSN 0869-6128.
8. Орошение и водопользование в Саратовском Заволжье //Мелиорация и водное хозяйство. – М., 2009, двухмесячник, № 3, с. 22-24. Гостищев Д.П., Рыбкин В.Н. ISSN 0235-2524.
В других изданиях:
9. Учет воды на оросительных системах / Вопросы мелиорации. 1988, № 5-6. 5/2,5. Бегляров Д.С., Рыбкин В.Н.
10. Методы расчета поливного режима сельскохозяйственных культур с учетом вероятностного характера погодных условий //Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации: Сб. науч. трудов. – М.: МГМИ, 1989, 92 с.,8/4. Рыбкин В.Н., Галямин Е.П. ISBN 0-000-00000.
11. Совершенствование техники полива виноградника при реконструкции внутрихозяйственной оросительной сети в совхозе «Коммунизм» Ура-Тюбинского района Таджикской ССР [Текст]: отчет о НИР (заключит.). М.: МГМИ, 1990. Деп. № ГР 0186.0117141. – Инв. № 029.10041211. 63/20. Рыбкин В.Н., Сурин В.А.
12. Водосбрегающая технология поверхностного полива сельскохозяйственных культур при реконструкции внутрихозяйственной оросительной сети на больших уклонах Ленинабадской области Таджикской ССР [Текст]: отчет о НИР (заключит.). - М.: МГМИ, 1991. Деп. № ГР 0186.0117141. – Инв. № 029.10041212. 81/20. Рыбкин В.Н., Сурин В.А.
13. Обоснование реконструкции водохозяйственной оросительной сети // Эксплуатация мелиоративных и водохозяйственных сооружений: Информационный сборник. – М.: ЦБНТИ, 1991, № 53. – 3 с.
14. Внедрение хозрасчета на оросительных системах засушливой зоны при платном водопользовании // Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации: Докл. научно-техн. конф. МГМИ. – М.: МГМИ, 1991. – 114/2. ISBN 0-000-00000
15. Проблемы развития мелиораций в засушливой зоне //Вопросы мелиорации: научно-практический журнал. – М., 1998. - двухмесячник. - № 4. 5/2,5. Бегляров Д.С., Рыбкин В.Н.
16. Обобщенный метод определения потребности оросительной системы в водных ресурсах //Мелиорация и водное хозяйство: научно-практический журнал. – М., 1998. – двухмесячник. - № 4. 4/2. Бегляров Д.С., Рыбкин В.Н. ISBN 0235-2524.
17. Учет воды на оросительных системах // Вопросы мелиорации: научно-практический журнал. – М., 1998. - двухмесячник. - № 5-6. 5/2,5. Бегляров Д.С., Рыбкин В.Н.
18. Методы проектирования открытых каналов оросительных систем, обеспечивающие водо- и энергосбережение. Пособие к СНиП 2.06.03-85. М.: Минсельхоз РФ Депмелиоводхоз, ГП СНЦ «Госэкомелиовод». 2000. 10/6. Рыбкин В.Н., Казаков Н.Т.
19. Влияние погодных условий на режим работы насосных станций оросительных систем // Природоохранное обустройство территорий. Материалы Международной научно-технич. конф. – М.: МГУП. 2002. 2/1. Буркова Ю.Г., Рыбкин В.Н. ISBN 978-5-89231-243-1.
20. Эксплуатационная надежность закрытого горизонтального дренажа //Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в ХХ1 веке: Материалы Международной научно-практич. конф.: Норма, 2002, вып. 3. 6/2. Ильина Н.С., Ильин С.П., Рыбкин В.Н., Сильченков И.С., Гурин В.А. ISBN 5-85302-352-7.
21. Погодные условия и режим работы насосных станций // Вопросы мелиорации: научно-практический журнал. – М., 2002, двухмесячник. - № 5-6. 5/3. Буркова Ю.Г., Рыбкин В.Н.
22. Природоохранные мероприятия при освоении и рекультивации площадей //Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности: материалы Международной научно-практич. конф. – М.: Норма, 2003, вып. 4. – 213 с., 3/2. Ильин С.П., Рыбкин В.Н. ISBN 5-85302-352-7.
23. Эксплуатационные мероприятия по защите земель от эрозии почвы на мелиоративных системах // Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности: материалы Международной научно-практич. конф. – М.: Норма, 2003, вып. 4. – 213 с. 6/2. Ильина Н.С., Ильин С.П., Рыбкин В.Н., Сильченков И.С. ISBN 5-85302-352-7.
24. Учет влияния климатических факторов на требуемые подачи насосных станций при имитационном моделировании их работы //Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении: Сб. материалов Всерос. научно-технич. конф. – М.: МГУП, 2003. – 198 с. 4/3. Буркова Ю.Г., Рыбкин В.Н. ISBN 5-89231-116-3.
25. Охрана атмосферного воздуха //Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Междунар. практ. конф. – М.: Норма, 2004, вып. 5. – 320 с. 5/2. Ильина Н.С., Ильин С.П., Рыбкин В.Н., Сильченков И.С. ISBN 5-85302-352-7.
26. Охрана растительности //Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Междунар. практ. конф. – М.: Норма, 2004, вып. 5. – 320 с. 6/2. Ильина Н.С., Ильин С.П., Рыбкин В.Н., Сильченков И.С. ISBN 5-85302-352-7.
27. Учет режимов эксплуатации крупных насосных станции при имитационном моделировании их работы // Проблемы научного обеспечения развития эколого-мелиоративного потенциала России: Сб. матер. научно-техн. конф. – М.: МГУП, 2004. 6/2. Буркова Ю.Г., Рыбкин В.Н. ISBN 5-89231-140-6.
28. Полевые исследования эксплуатационных режимов поливов при дождевании. Опытные участки. Методика исследований. //Проблемы экологической безопасности и природопользования. Матер. Международ. научно-практической конф. – М.: Норма, МАЭБП, 2006. Вып 7. 5/3. ISBN 5-85302-352-7. Рыбкин В.Н., Кузнецова Е.В.
29. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем. Учебник для вузов. – М.: ООО «Инлайт», 2006. 390/130. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В. ISВN 5-91040-002-9.
30. Экологизация водопользования на оросительных системах (на примере Энгельсской оросительной системы) // Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Междунар. научно-практ. конф. – М.: Норма, 2006, вып. 7. 6/3. Кузнецова Е.В., Рыбкин В.Н. ISBN 5-85302-352-7.
31. Оптимизация эксплуатационного режима орошения сельскохозяйственных культур //Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов. Материалы Мждународной научно-практич. конф. Часть 1. – М.: МГУП, 2008. – 6/3. Рыбкин В.Н., Буркова Ю.Г. ISBN 978-5-89231-243-1.
