Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The current situation of irrigated agriculture in the country is considered and the main reasons for the decrease in the efficiency of irrigation reclamation are identified. It is shown that the efficiency of water resource use in the reclamation complex remains quite low, which is due to the technical condition of irrigation systems, the lack of automation of water distribution on inter-farm irrigation networks and directly on the irrigated field for irrigation management. The national average irrigation rate over the last decade was 4.5-4.8 thousand m3/ha, and excluding rice systems 2.1 thousand m3/ha. The following areas of water saving in irrigated agriculture are proposed: the introduction of low-volume irrigation, optimization of water distribution in state irrigation systems, precise irrigation control, the use of additional water sources for irrigation, the creation of water rotation systems with a full circulation cycle, the use of agro-reclamation measures to replenish soil moisture reserves. All this will ensure savings of water resources by at least 50%
irrigated agriculture, water resources, water conservation, low-volume technologies, water circulation systems
Введение. Устойчивое развитие сельскохозяйственного производства в России в значительной степени определяется развитием мелиорации, реализация которой позволяет ликвидировать дефицит природного увлажнения, нарастающую деградацию земельных и водных ресурсов, снизить зависимость от глобального изменения климата и обеспечить экологическую безопасностьагроландшафтов. Одним из глобальных вызовов современного мира становится истощение пресных водных ресурсов, что ставит под угрозу жизнь и здоровье населения планеты. Уже сейчас некоторые страны достигли предела в использовании своих водных ресурсов. Если в 2000 г. дефицит пресной воды, включая сельскохозяйственные и промышленные нужды, оценивался в 230 млрд м3 /год, то к 2025 г. этот дефицит на планете увеличится до 1,3-2,0 трлн м3 /год. Самым большим потребителем воды является сельское хозяйство, особенно орошаемое земледелие. Без дальнейшего совершенствования водопользования в сельском хозяйстве потребность в воде к 2050 году возрастет в сельскохозяйственном секторе на 70-90%, и это при том, что площадь поливных земель за последние десятилетия удвоилась, а отбор воды вырос в 3 раза. https://vigorconsult.ru/resources/mirovoy-ryinok-presnoy-vodyi/.
Кроме дефицита пресной воды, актуальным остается вопрос ее загрязнения. Во многих странах качественный состав воды не соответствуюет санитарно-гигиеническим требованиям, что влияет на здоровье населения. . https://mining-media.ru/ru/article/newtech/17492-voda-resursy-zapasy-rynki.
В этой связи водосбережение, рациональное использование воды и разработка современных технологий очистки и водоподготовки становится неизбежной стратегией современного мира.
Результаты. Россия обладает существенным запасом возобновляемых водных ресурсов, которые на 2020 г. составили 4565,0 км3 /год. Из водных источников ежегодно на нужды населения забирается 56,9 км3., а потребление воды для сельского хозяйства составляет 17 %, для промышленности, включая энергетику, – 64 % и на хозяйственно-питьевые цели – 19 %.[1]. Хотя забор воды сельским хозяйством в общем объеме используемых ресурсов в нашей стране значительно ниже, чем во многих странах, тем не менее, и в России проблема водосбережения в орошаемом земледелии остается актуальной, особенно в южных регионах.
Основной потребитель воды в сельском хозяйстве – мелиоративный комплекс. В настоящее время России имеет 9,45 млн га мелиорированных земель, или 4,78% общей площади сельхозугодий, из которых 4,69 млн га – орошаемые и 4,78 млн га – осушаемые площади. В управлении Департамента мелиорации Минсельхоза России находится более 34 тыс. сооружений, в том числе: гидротехнических сооружений – 18,4 тыс. шт., из них: водохранилищ – 232 шт.; 2 тыс. шт. регулирующих гидроузлов; 134 шт. речных плотин; 42,3 тыс. км магистральных каналов и прочие сооружения [2]. Анализ текущего состояния мелиорируемых земель и мелиоративных систем России показал, что примерно 80 % ранее орошаемых земель используется в сельскохозяйственном производстве и из них около 30 % регулярно поливаются. Площади политых земель по разным источникам составляют в среднем за 10-ти летний период с 2013 по 2022 гг. 1,387 млн га [3]. Забор воды государственными мелиоративными системами по годам на орошение отличается по разным источникам, но находятся в пределах 6390 - 6654 млн м3 [3-5] (таблица 1). В 2010 г. для целей орошения было использовано наибольшее количество воды – почти 7900 млн м3. Средняя оросительная норма на гектар поливаемой площади составляет 4548-4815 м3/га., что значительно выше, чем в до перестроечный период, когда средняя по стране оросительная норма была примерно 3000 м3/га. Если учесть, что в России под рис отводится примерно 190 тыс. га сельскохозяйственных площади, а средняя оросительная норма риса по данным исследований составляет 20 тыс. м3 /га [88, 89], то объем подачи воды на рисовые системы составит 3800 млн м3. Тогда средняя оросительная норма без учета рисовых систем составит 2057 м3, что не полностью покрывает дефицит природного увлажнения и снижает урожайность культур на мелиорируемых землях. Текущая продуктивность орошаемых земель незначительно превышает урожайность на богаре: для зерновых культур на 35%; овощей – на 32,6%, продуктивность кормовых угодий - на 79,3% и не соответствует потенциальным возможностям. Многочисленные исследования показали, что на орошаемых землях можно обеспечить урожайность до 9 -11 т к.е./га, то есть в 3-5 раз выше существующих показателей.
Современное состояние использования орошаемых земель связано со многими причинами, основные из которых следующие:
- значительные ирригационные потери воды от источника орошения до поля, связанные со значительным износом основных фондов, который составляет более 71 %, наиболее изношены основные фонды оросительных систем – на 77,6 % [1]. Наибольшее снижение технического уровня отмечено в Западно-Сибирском (77,65%) и Южном федеральных (72,6%) округах. Коэффициент полезного действия оросительных систем в настоящее время не превышает 0,60 на 40 % площади орошения, а безвозвратные потери воды составляют от 25 до 60 % от водозабора;
- практически полное отсутствие водо- и уровне измерительных приборов, что не позволяет обеспечить автоматизацию работы инженерных гидромелиоративных систем и оперативное управление поливами на орошемом поле;
- раздробленность мелиоративных систем. В федеральной собственности находится 2146,42 тыс. га орошаемых земель, в собственности субъектов Российской Федерации – 478,8 тыс., муниципальных образований, юридических и физических лиц – 1216,55 тыс. орошаемых земель, бесхозяйных и находящихся в стадии оформления орошаемых земель насчитывается 357,35 тыс. га. Недостаточность выделяемых бюджетных средств на эксплуатацию государственных гидромелиоративных систем и гидротехнических сооружений, а также отсутствие инвестиций у собственников на реконструкцию и обслуживание внутрихозяйственных систем. На 48-50% орошаемых земель для повышения технического уровня мелиоративных систем необходимо проведение комплексной реконструкции, включающей строительно-монтажные работы на площади 2228,7 тыс. га, или 43-46% имеющихся в наличии, а ремонтные работы составляют 14-15% числящихся сельхозугодий.
Для существенного прорыва требуется разработка новой парадигмы мелиоративной науки, как совокупности теоретических и методологических положений, отвечающей современному развитию технологических процессов и созданию высокотехнологичных систем, а также экономичных механизмов осуществления мелиоративной деятельности. В настоящее время разработана Концепция биосферно-экологического обоснования мелиорации, направленная на дальнейшее развитие мелиоративного комплекса России, способного обеспечить повышение урожайности на орошаемых землях до 7-11 к.ед. и снижение мелиоративной нагрузки на природную среду на 20 % более, а также повышение экологической устойчивости агропроизводства и созданию качественной среды обитания [6].
Динамика мелиорированных, орошаемых и поливаемых земель за 10-ти летний период
|
Год |
Всего мелиорированных сельскохозяйственных угодий, тыс. га |
Орошаемых земель, тыс. га |
Использовалось орошаемых сельхозугодий тыс. га |
Политая площадь по заявкам сельскохозяйственных товаропроизводителей, тыс. га |
Использовано свежей воды на орошение (Минприроды)млн м3 |
Воды на орошение в сфере с/х и л/х (Водресурсы, код А.01) |
Оросительная норма в вегетационный период по Минприроды |
Оросительная норма в вегетационный период по Водресурсы |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
2013 |
9 050,00 |
4 270,00 |
3 200 |
1620 |
6602,7 |
6347,0 |
4076 |
3918 |
|
2014 |
9 039,82 |
4 260,75 |
3 300 |
1500 |
7124,6 |
6908,9 |
4750 |
4606 |
|
2015 |
9 439,77 |
4 663,64 |
3 880 |
1400 |
6784,8 |
6576,5 |
4846 |
4698 |
|
2016 |
9 446,68 |
4 670,58 |
3 886,00 |
1300 |
6708,6 |
6452,7 |
5160 |
4964 |
|
2017 |
9 472,09 |
4 686,69 |
3 890,51 |
1330 |
6716,7 |
6298,7 |
5050 |
4736 |
|
2018 |
9 448,08 |
4 667,30 |
3 859,93 |
1386 |
6569,9 |
6150,1 |
4740 |
4437 |
|
2019 |
9 446,03 |
4 664,59 |
3 820,56 |
1398 |
7187,4 |
6708,0 |
5141 |
4798 |
|
2020 |
9 465,62 |
4 686,15 |
3 961,33 |
1350 |
6159,9 |
5704,5 |
4563 |
4226 |
|
2021 |
9 459,15 |
4 679,10 |
3 963,40 |
1250 |
6490,5 |
|
5192 |
|
|
2022 |
9 469,73 |
4 690,06 |
3 965,54 |
1340 |
6199,0 |
|
4626 |
|
|
В среднем |
9 373,70 |
4 593,89 |
3 772,73 |
1387 |
6 654,4 |
6 393,3 |
4 815 |
4 548 |
|
|
На конец года |
округлено |
|
|
|
|
|
|
|
20195 |
9 45 |
4 661,60 |
3 870,51 |
1698 |
|
6708,0 |
|
3951 |
В составе Концепции рассмотрены основные направления водосбережения на всех элементах оросительной системы, начиная от водозабора и до орошаемого поля, включая:
- реконструкцию магистральной и межхозяйственной сети с обязательной облицовкой каналов современными покрытиями, в качестве который возможно использовать: цельноформированные бетонные блочные плиты; бентонитовые маты; полимерные геомембраны с различными защитными покрытиями, позволяющие повысить КПД каналов до 0,8-0,9 и снизить ирригационные потери с 60 до 10-20 %. Это наиболее эффективный способ водосбережения оросительной воды, позволяющий экономить до 40 %;
- оптимизация водораспределения и водоотведения на межхозяйственноой оросительной системе, что позволит снизить объем водозабора на нужды сельскохозяйственных предприятий и оросительные мелиорации от 10 до 40%, а в ряде случаев реализовать их бездефицитное водообеспечение на основе многокритериальной оптимизации методом эволюционно-генетического программирования. Принципиальное отличие подхода сотрудников ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н.Костяков заключается в формировании критериев, включающих максимум орошаемой площади, отводящейся под полив, максимальный доход водохозяйственной организации, обеспечивающей подачу воды, а также наибольшую стоимость валового объема продукции растениеводства с поливаемых земель в хозяйствах-водопользователей, что обеспечивает поиск компромиссного решения по выполнению целевых установок. Реализации указанного подхода выполнена на Городищенской оросительной системе. Расчеты показали, что применение системной оптимизации позволило увеличить эффективность управленческого решения на 10% в сравнении с традиционным подходом [7];
- совершенствование эксплуатации оросительных систем с применением современных средств водоучета и приборного обеспечения, позволяющего осуществлять непрерывную и бесперебойную водоподачу требуемым расходом;
- переход от традиционного орошения к малообъемному и микроорошению, что позволяет до 90-95% повысить эффективность использование оросительной воды, особенно в вододефицитных районах. На сегодня в ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова созданы и внедряются в фермерских хозяйствах Волгоградской области комбинированные системы капельного полива, как основного инструмента регулирования водного режима почвы, и мелкодисперсного дождевания для улучшения микроклимата посевов, что обеспечивает не только сокращение оросительных норм на 25-30 %, но и повышение урожайности овощных культур и картофеля на 20-27%;
- совершенствование системы управления дождевальной техникой, переход от автоматизированных к интеллектуальным системам управления поливами; разработка аппаратуры и компьютерного обеспечения для прецизионного орошения с интенсивностью полива, равной текущему водопотреблению культуры. Данное направление позволяет сократить разрыв между заданной и фактической нормой полива до 2,3-3,6% в отличие от существующих 7-10%. Современные цифровые устройства позволяет реализовать нейроуправление практически на любой дождевальной машине и таким образом оптимизируются параметры полива и уменьшаются затраты электроэнергии и воды.
- применение агромелиоративных приемов задержания в почве влаги и влагозарядковых поливов в весенний период, что существенно увеличивает влагозапасы в почве до 60% в начальный период вегетации растений. Эффективность влагозарядковых поливов зависит от погодных условий года и характеристики почвы и их проведение нормой 1,5-2,0 тыс. м3/га позволяет в ряде случаев отказаться от первого полива и съэкономить 5-7 % оросительной воды в период вегетации. Влагозарядку проводят осенью или весной на фоне глубокой вспашки, когда поле свободно от посевов. Многолетний опыт применения влагозарядковых поливов показал их эффективность в степной зоне;
- использование на орошение дополнительных источников воды в виде сточных вод коммунальных и сельскохозяйственных предприятий и дренажно-сбросных вод непосредственно с оросительной системы. Мировой опыт показывает, что почти 60% из них пригодны для орошения. В развивающихся странах примерно 10% всех орошаемых земель используют этот ресурс. В России формируется около 18 куб. км сточных вод. Хотя использование сточных вод и дает ощутимую прибавку урожая до 50% зеленой массы кормовых культур за счет наличия макро и микроэлементов, но в России не практикуется. Это связано с недостаточной проработкой вопросов очистки и водоподготовки сточных вод. Выбор оптимальных технологических схем очистки воды – достаточно сложная задача, что обусловлено разнообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству очистки. Очисткой сточных вод для различных целей, в том числе и орошения, занимаются многое страны: и в мире создано боле 3300 объектов по очистке. Передовыми странами являются Япония (около 1 800 очистных станций) и Соединенных Штатах Америки (около 800); Австралия и Европейский Союз имеют 450 и 230 проектов соответственно; в Средиземноморском регионе и на Ближнем Востоке насчитывается около 100 установок, в Латинской Америке - 50, а в Африке к югу от Сахары - 20 с различной степенью очистки и для различных областей применения. Россия в этом направлении отстает, однако на орошаемых землях, где формируется дренажный сток с минерализацией до 3 г/л возможно использовать подготовленный дренажный сток в полном объеме на орошение. Это направление требует решения задач по созданию аккумулирующих емкостей, технологий очистки и водоподготовки. Достаточно дешевым и молоэнергоемким методом является использование самотечных локальных очистных сооружений, обеспечивающих очистку, как с помощью высшей водной растительности, биопланктона и водорослей, так и природными сорбентами. Указанное техническое решение было разработано во ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова на Сарпинской рисовой оросительной системе в Калмыкии. Экономия воды достигла 30%, экономический эффект составил не менее 10 млн руб. при сокращении подачи воды на систему [8];
- создание водооборотных оросительных систем. Отечественный и мировой опыт показал, что создание водооборотных систем целесообразно в зоне неустойчивого увлажнения, где на осушительных системах в отдельные периоды вегетации требуются оросительные мелиорации. Наиболее экологично создание полноводооборотных систем. Основное направление большинства технических и инженерных решений - это всевозможные сооружения, предназначенные для накопления и сохранения воды. Для обоснования объема накопления дренажного стока в ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова предложена методика расчета пруда-накопителя, обеспечивающего сезонное накопление и разбавлениен дренажного стока и его последующего использования на орошение. Спецификой замкнутых систем локального типа определены требования к конструкциям дрен и параметрам дренажа. Конструкции дрен должны быть повышенной надежности, на дренажной системе следует предусматривать задвижки для регулирования расхода воды и приборы для контроля ее качества, насосные перекачивающие станции для подачи воды на орошение [9]. Такие оросительные системы должны включать накопительные пруды и технологические узлы по оводоподготовке и внутрисистемному использованию дренажных вод.
Заключение. Выполненный обзор и анализ основных методов водосбережения на оросительных системах показал, что экономию оросительной воды следует осуществлять последователь на всех элементах оросительной сети: на государственных мелиоративных системах необходимо повысить КПД межхозяйственных каналов до 0,8-0,9; на оросительных системах осуществить переход к автоматизированных и интеллектуальным системам для реализации точного управления поливами в режиме реального времени; обеспечить цифровизацию и автоматизацию мелиоративной отрасли для принятия обоснованных управляющих воздействий по рациональному использованию воды. Все это позволит до 50 % сократить непроизводительные потери оросительной воды и добиться существенного повышения урожайности.
1. Report "On the state and use of water resources of the Russian Federation in 2020." – M.: Rosvodresursy, NIA-Nature, 2022. – 510 p.
2. The reclamation complex of the Russian Federation: inform. edition. – Moscow:FSBI "Rosinformagrotech", 2020. – 304 p.
3. On the state and environmental protection of the Russian Federation in 2022. State report. – Moscow: Ministry of Natural Resources of Russia; Lomonosov Moscow State University, 2023. – 686 p.
4. The state report "On the state and use of water resources of the Russian Federation in 2018." – M.: NIA-Nature, 2019. – 290 p.
5. Report "On the state and use of water resources of the Russian Federation in 2020." – M.: Rosvodresursy, NIA-Nature, 2022. – 510 p.
6. Kireicheva, L. V. Biosphere-ecological justification of complex land reclamation / L. V. Kireicheva. – Text : direct // Nature management. – 2023. – No.2. – pp. 15-22
7. L.V. Kireicheva, D.A. Rogachev, I.F. Yurchenko, A.F. Rogachev Optimization of the distribution of limited water resources by methods of evolutionary genetic programming //International Agricultural Journal. Vol. 67. № 2 (398) – 2024. Pp. 233- 238
8. Kireycheva L.V., Suprun V.A. Ochistka drenazhnyh vod - vazhnoe napravlenie vodosberezheniya v oroshaemom zemledelii // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2023. № 2 (70). S. 65-71.
9. Kireicheva L.V., Glazunova I.V. Calculation method of drainage runoff storage ponds for local irrigation sites // Environmental management No.5. 2012. pp. 30-34
10. Kireicheva L.V., Suprun V.A. Drainage water purification is an important area of water conservation in irrigated agriculture // Izvestiya Nizhnevolzhsky Agrouniversity complex: Science and higher professional education. 2023. No. 2 (70). pp. 65-71.
