УДК 631.626 Способы осушения
УДК 631.621 Избыток влаги. Уровень грунтовых вод
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В условиях аридного климата для регулирования солевого режима орошаемых земель успешное применение обретает горизонтальный, вертикальный или комбинированный дренаж. В статье приводится расчет водно-солевого баланса на староорошаемых землях Бухарской области в Узбекистане. Приведен график зависимости коллекторно-дренажного стока от водозабора по Бухарской области. Рекомендованы разработки и внедрение современных водосберегающих способов полива и передовых малозатратных технологий очистки и обессоливания слабоминерализованных коллекторно-дренажных вод с последующим повторным использованием на орошение
дренаж, водно-солевой баланс, дренажные воды, уровень грунтовых вод
В условия аридного климата орошаемое земледелие на засоленных или подверженных засолению землях имеет специфические особенности, связанные с необходимостью регулирования, наряду с водным, солевого режима почв. При недостаточности естественного увлажнения требуется дополнительный объем воды для компенсации суммарного испарения сельскохозяйствкнных культур. Подача воды из поверхностных источников на орошение связана с непроизводительными потерями на фильтрацию из каналов и оросительной сети, технологическими сбросами с поля при проведении поливов и инфильтрации непосредственно на орошаемом поле за счет перетока воды из почвенного слоя в грунтовые воды. Дополнительное питание нарушает устойчивость природной гидрогеологической системы, что вызывает подъем уровня грунтовых вод, а это, в свою очередь, приводит к увеличению испарения и перетоку солей из нижележащих слоев в почвенный горизонт. Для стабилизации гидрогеологической системы и поддержания уровня грунтовых вод на глубине, препятствующей интенсивному испарению, которая в мелиоративной практике определяется как критическая или допустимая, необходимо из водооборота изымать некоторый объем воды и солей и транспортировать их за пределы орошаемого массива. Таким средством является искусственный мелиоративный дренаж в случае недостаточности естественной дренированности. В настоящее время практически во всех странах мира в условиях аридного климата успешно применяется горизонтальный, вертикальный или комбинированный дренаж для регулирования солевого режима орошаемых земель. Обоснованию дренажа на орошаемых землях посвящены многочисленные труды российских и зарубежных ученых (В.А. Ковда, J.N. Luthin, G.S. Hoffman, С.Ф. Аверьянов, И.П.Айдаров, Н.Н Ходжибаев, Н.М. Решеткина, Х.И. Якубов, Н.Г. Минашина, Л.В. Кирейчева и многих других), в которых использованы методы балансовых расчетов для количественной оценки приходных и расходных статей и их соотношении при обосновании дренажа [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Во многих странах дренаж стал неотъемлемой частью оросительной системы, обеспечивающий регулирование водно-солевого режима почв. В условиях близко залегающих к поверхности грунтовых вод, создается полугидроморфный, благоприятный для растений мелиоративной режим, обеспечивающий нисходящие тока за счет подачи дополнительной промывной части оросительной нормы, При нарушении работы дренажа происходит подъем грунтовых вод и трансформация мелиоративного режима в гидроморфный, приводящий к вторичному засолению почв. Это приводит к снижению урожайности хлопчатника: при слабом засолении на 20- 30%, умеренном - на 40-60%, на сильно засоленных землях - от 80% до полной гибели растений. Поэтому важнейшей задачей является мониторинг мелиоративного состояния орошаемых земель и комплексный подход для назначения необходимых мероприятий. Цель настоящих исследований – оценить современное мелиоративное состояние длительно орошаемого массива, выявить роль дренажа в его формировании и дать рекомендации.
Объект и методы исследований. Исследования проводились на староорошаемых землях Бухарской области Узбекистана на основе детального анализа водного и солевого балансов орошаемой территории. В качестве исходных материалов применялись многолетние данные эксплуатационных служб Минводхоза Республики Узбекистан, мелиоративной экспедиции Бухарской области. Расчеты и их интерпретация выполнена авторами с использованием полевых исследований.
Уравнение общего водного баланса имеет вид (по С.Ф.Аверьянову) [1]:
где
Ор – оросительная норма, идущая на покрытие водопотребления;
∆Ор – объем промывной части оросительной нормы;
Фк – фильтрационные потери;
Ик – испарение с водной поверхности каналов;
Ас – атмосферные осадки;
Е – суммарное испарение;
р – водообмен с подземными водами.
Баланс почвенных вод:
где q – переток из почвенных в грунтовые воды:
α – доля осадков, идущая на питание грунтовых вод;
Гр – подпитывание зоны аэрации грунтовыми водами.
Баланс грунтовых вод:
Др – сброс воды по коллекторно-дренажной сети за пределы территории.
В Узбекистане, как и во всем Среднеазиатском регионе, установлена эмпирическая связь между испарением с водной поверхности (испаряемости) и фактическим расходом влаги хлопчатника, для легкосуглинистых и среднесуглинистых почв, полученная на основе обобщения фактических данных, имеющая следующий вид:
|
|
где: Ео – среднемесячные значения испаряемости по Иванову с поправкой Молчанова.
Е–среднемесячные значения эвапотранспирации (суммарного испарения) в мм. Формула может быть упрощена для среднемесячных значений до следующего вида: Е = Кк Ео, где Кк – коэффициент культуры для среднемесячных значений.
Среднемесячные значения испарения с водной поверхности определяется по следующей формуле:
|
Ео= 0,00144 (25 + t) (100 – а) |
(6) |
где: t – среднемесячная температура. Со;
а – среднемесячная относительная влажность воздуха, %.
Данная формула не учитывает радиационный баланс, ветровой режим, внутримесячные колебания других метеорологических параметров, однако, для многих районов показывает достаточно высокую точность при сопоставлении многолетних опытных данных по водному и тепловому балансу.
В современных условиях для оценки среднемесячных значений эвапотранспирации рекомендуется использовать метод Пенмана-Монтейна, а также уравнение аэродинамики и сопротивление кроны по следующей зависимости:
|
где: ЕТо - |
эталонная эвапотранспирация мм/сут.; |
|
|
|
Rn - |
чистая радиация на поверхности растений (МДж м-2с-1); |
|
|
|
G - |
плотность теплового потока в почве МДж м-2с-1; |
|
|
|
T - |
среднесуточная температура воздуха на высоте 2м (0С); |
|
|
|
И2 - |
скорость ветра на высоте 2м м/с; |
|
|
|
es - |
давление пара насыщения (кПа); |
|
|
|
ea - |
фактическое давление пара (кПа); |
|
|
|
(es-ea) - |
дефицит давления пара насыщения (кПа); |
|
|
|
|
градиент кривой давления пара (кПа 0С-1); |
|
|
|
- |
психрометрическая постоянная (кПа 0С-1). |
|
|
Расчет эвапотранспирации сельскохозяйственных культур производится по зависимости:
|
ЕТс = КсЕТо |
(5) |
|
|
|
где: Кс- |
коэффициент культуры |
||
|
ЕТс - |
эвапотранспирация культуры |
||
Коэффициенты культуры по фазам развития хлопчатника по месяцам составляют: в апреле – 0,31; в мае – 0,57; июне – 0,91; июле – 1,54; августе – 1,21; сентябре – 1,21; октябре – 0,57.
Представленные в таком виде балансовые уравнения позволяют оценить роль дренажа в регулировании водообмена и качественное влияние соответствующих водных балансов на солевые.
Соответствующие водным балансам солевые балансы имеют вид:
баланс солей зоны аэрации:
баланс солей грунтовых вод:
где
– поступление и вынос солей при вертикальном водообмене между почвенными и грунтовыми водами:
– поступление и вынос солей при вертикальном обмене с подземными водами;
Таким образом, формирование и поддержание благоприятного мелиоративного режима на засоленных землях обеспечивается выносом с дренажными водами некоторого количества солей за пределы орошаемого массива.
Результаты и обсуждение.
Бухарская область Республики Узбекистан имеет многолетнюю историю орошаемого земледелия, основной орошаемой культурой является хлопчатник. За длительный период на орошаемых землях сформировался водозатратный полугидроморфный мелиоративный режим, который позволяет поддерживать земли в благоприятном состоянии и получать достаточно высокие урожаи хлопчатника. Основным источником воды для орошения является р. Амударья. Водозабор на орошение с 1976 по 2020 год примерно составлял 4200-4800 млн м3 Наибольший водозабор на орошение наблюдался в 1981-1990 гг. и составлял 5830 -5410 млн м3. Начиная с 2020 года водозабор значительно сократился, за последние годы ежегодный водозабор из всех источников в области составил 3585-3597 млн м3 (таблица 1).
Таблица 1. Изменение водно-солевых балансов орошаемых земель Бухарской области за 2022-2023 гг. (составлена авторами по материалам областной мелиоративной экспедиции)
|
Область и район |
Год |
Орошае-мая пло-щаль, тыс.га |
Приход |
Расход |
Баланс солей |
|||||
|
водо-забор, млн.м3 |
минера-лизация воды, г/л |
посту-пление солей, тыс.т |
сток дренаж-ных вод, млн.м3 |
минера-лизация КДВ, г/л |
вынос солей, тыс.т |
уменьше-ние(-), уве-личение (+), тыс.т |
Удельные величины, т/га |
|||
|
По области |
2022 |
276,3 |
3597,5 |
0,920 |
3308,0 |
1677,0 |
3,103 |
5204,4 |
-1896,3 |
-6,86 |
|
2023 |
280,2 |
3585,7 |
0,918 |
3293,5 |
1474,0 |
3,435 |
5063,0 |
-1769,7 |
-6,4 |
|
|
Шафирканский |
2022 |
28,3 |
373,4 |
1,393 |
520,1 |
129,3 |
2,89 |
373,7 |
+145,3 |
+5,13 |
|
2023 |
28,4 |
365,6 |
1,158 |
423,4 |
66,8 |
3,04 |
203,4 |
+219,9 |
+7,75 |
|
|
Гиждуванский |
2022 |
27,0 |
342,5 |
1,354 |
463,8 |
109,7 |
2,49 |
274,1 |
+189,8 |
+7,03 |
|
2023 |
27,4 |
335,3 |
1,360 |
456,0 |
105,0 |
2,68 |
281,4 |
-174,6 |
+6,37 |
|
Наблюдается значительный сток коллекторно-дренажных вод. Установлена зависимость дренажного стока от водозабора (рисунок 1), из которой видно, что водообмен на орошаемых землях составляет примерно 50%.
Рисунок 1 - Зависимость коллекторно-дренажного стока от водозабора по Бухарской области
В настоящее время (2022 -2023 годы) в Бухарской области орошается примерно 280 тыс. га, водозабор составляет 3597,5 – 3585,7 соответственно, при этом средневзвешенная норма брутто составляет около 13 тыс. /га, из которой около половины нормы воды уходит на создание промывного режима орошения.
В связи с прогрессирующей технической неисправностью, существующей коллекторно - дренажной системой объем коллекторно-дренажного стока уменьшился и в 2023 году составил 1474 млн м3 или 40% от водоподачи, при этом проявляются очаги вторичного засоления орошаемых почв. Минерализация оросительных вод изменяется в широких пределах: её средняя величина по водозабору из источника составляет 0,910 г/л по плотному остатку и от 0,130 до 0,150 г/л по иону хлора (за 2023 г.). В отдельных районах минерализация оросительных вод повышенная: в Шафирканском районе она равна 1,160…1,393 г/л, в Гиждуванском районе изменяется от 1,354 до 1,360 г/л.
При оценке почвенно-мелиоративного состояния орошаемых земель особое внимание уделялось содержанию солей (%) и их запасам (т/га) в пахотном (0-30 см) и корнеобитаемом (0-1 м) слое почвы [6, 7]. Водно-солевые балансы на территории складываются в соответствии с притоком и оттоком солей и соотношением приходных и расходных элементов. При указанных выше размерах водозаборов и их минерализации на орошаемые земли поступает до 3308,0 тыс. т. солей в год. Величина солеотведения за пределы орошаемых земель с помощью дренажных систем составляет около 5204,4 тыс. т. Разность между притоком и оттоком солей по всей области складывается небольшим выносом в пределах 5,1-6,3 т/га в год (таблица 2).
Таблица 2. Изменение водно-солевых балансов орошаемых земель Бухарской области за 2022-2023 гг. (составлен авторами по материалам областной мелиоративной экспедиции)
|
Область и районы |
Год |
Орошае-мая пло-щаль, тыс.га |
Приход |
Расход |
Баланс солей |
|||||
|
водо-забор, млн.м3 |
минера-лизация воды, г/л |
посту-пление солей, тыс.т |
сток дренаж-ных вод, млн.м3 |
минера-лизация КДВ, г/л |
вынос солей, тыс.т |
уменьше-ние(-), уве-личение (+), тыс.т |
Удельные величины, т/га |
|||
|
По области |
2022 |
276,3 |
3597,5 |
0,920 |
3308,0 |
1677,0 |
3,103 |
5204,4 |
-1896,3 |
-6,86 |
|
2023 |
280,2 |
3585,7 |
0,918 |
3293,5 |
1474,0 |
3,435 |
5063,0 |
-1769,7 |
-6,4 |
|
|
Шафирканский |
2022 |
28,3 |
373,4 |
1,393 |
520,1 |
129,3 |
2,89 |
373,7 |
+145,3 |
+5,13 |
|
2023 |
28,4 |
365,6 |
1,158 |
423,4 |
66,8 |
3,04 |
203,4 |
+219,9 |
+7,75 |
|
|
Гиждуванский |
2022 |
27,0 |
342,5 |
1,354 |
463,8 |
109,7 |
2,49 |
274,1 |
+189,8 |
+7,03 |
|
2023 |
27,4 |
335,3 |
1,360 |
456,0 |
105,0 |
2,68 |
281,4 |
-174,6 |
+6,37 |
|
В отдельных районах, где минерализация оросительных вод повышенная (до 1,36-1,39 г/л), разность между поступлением и выносом солей складывается по типу накопления солей: в Шарфирканском районе накопление солей составляет 5,1-7,8 т/га в год, в Гиждуванском районе, где минерализация оросительных вод повышенная (1,35-1,36 г/л), происходит накопление солей от 6,37 до 7,03 т/га в год. В отдельные годы в этих районах по солевому балансу происходит накопление от 12,9 до 17,6 т/га в год [7].
Направленность водного и солевого баланса отражается на процессах засоления почвенного слоя: по данным мелиоративной экспедиции орошаемые земли Бухарской области на 85 % площади подвержены засолению (около 234,2 тыс. га). Большая часть относится к слабозасоленному типу, которые составляют 172,6 тыс. га (62,8%), среднезасоленные земли 56,3 тыс. га (20,5%), сильнозасоленные 5,4 тыс. га (≈2,0 %) Содержание легкорастворимых солей по профилю почвогрунтов колеблется в широких пределах от 0,2 до 1,5-1,7% по плотному остатку (таблица 3).
Таблица 3. Площади засоленных земель в Бухарской области за 2023 г. (по данным областной мелиоративной экспедиции)
|
|
Площадь под контро-лем, тыс.га |
Степень засоления почв в слое 0…100 см |
Засо-ление выше сред-него |
Общие площади засолен-ных земель |
|||
|
Незасо- ленная |
Слабозасо- ленная |
средняя |
сильная |
||||
|
По области |
274,6 |
42,1 |
172,6 |
56,3 |
5,4 |
61,7 |
234,2 |
|
Шафирканский |
28,3 |
3,6 |
16,8 |
7,2 |
0,2 |
7,4 |
24,8 |
|
Гиждуванский |
27,4 |
4,5 |
15,8 |
5,9 |
0,9 |
6,8 |
22,5 |
Согласно режимных наблюдений мелиоративной экспедиции, по области средняя глубина грунтовых вод в период вегетации равна 2,4-2,5 м, и только в отдельных районах поднимается до 1,89-1,93 м. По состоянию на 2022-2023 гг. в Бухарской области существует 734 шт. систем вертикального дренажа, из которых в рабочем состоянии 640, объём откаченной воды составляет 90-110 млн.м3/год, уровень грунтовых вод в зоне их обслуживания поддерживается на глубине 2,7-2,8 м. Зависимость объемной влажности от положения уровня грунтовых вод показано на рисунке 2.
Рисунок 2 - Зависимость объемной влажности почво-грунтов в слое 0 – 100 см от глубины грунтовых вод по Бухарской области. 1- для почв с тяжелым механическим составом, 2 – для почв с легким механическим составом.
Как видно из рисунка в метровом слое поддерживается высокая влажность несмотря на допустимый уровень грунтовых вод, что можно считать следствием переполивов почвы. Средняя урожайность хлопчатника по области довольно высокая и составляет 30,3-39,2 ц/га, но на подверженных засолению площадях она снижается 27-29 ц/га.
Выводы. Выполненный анализ современного состояния мелиоративного режима Бухарской области показал, что для получения высоких урожаев хлопчатника на орошаемых землях подается очень высокая оросительная норма, составляющая 13 тыс. м3/га, из которой примерно 50 % сбрасывается с коллекторно-дренажным стоком. На 1 ц урожая хлопчатника тратится до 400 м3воды по сравнению с 105, 7 м3/ц [8] при режиме орошения 70–70–70% от ППВ, что недопустимо в условиях современного земледелия. Регулирование водно-солевого баланса корнеобитаемой зоны орошаемого поля показывает, что, несмотря на поддержание средней глубины грунтовых вод в летний период в пределах 2,0-2,6 м, на большей части (≈52%) орошаемых земель площади подвергаются сезонному засолению, которое по области сохраняются на 85 % территории. Это свидетельствует о нерациональном использовании водных ресурсов. Минерализация оросительной воды колеблется около 1 г/л, а сбросная вода имеет минерализацию 3-3,5 г/л, по есть на орошаемых землях наблюдается затратный водообмен.
В условиях дефицита водных ресурсов в Среднеазиатском регионе и наличия засоленных почв очень актуальны вопросы разработки и внедрения современных водосберегающих способов полива и передовых малозатратных технологий очистки и обессоливания слабоминерализованных коллекторно-дренажных вод с последующим повторным использованием на орошение. В качестве рекомендаций необходимо пересмотреть режим орошения в сторону поддержания влажности в корнеобитаемом слое на уровне 0,7-0,75 ППВ, поливы производить более мелкими нормами, при этом обеспечив хорошую планировку полей на фоне коротких борозд. Применение современных технологий позволит значительно уменьшить водообмен на фоне дренажных систем для трансформации эколого-мелиоративных процессов на менее затратный водный режим и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.
1. Аверьянов С.Ф. Горизонтальный дренаж при борьбе с засолением орошаемых земель. Изд. АН. М.: 1959. 83 с.
2. Ковда В.А. Дренаж в борьбе с засолением орошаемых почв. В кн. Применение дренажа при освоении засоленных земель. М.: Издательство АН СССР, 1958.
3. Кирейчева Л.В. Дренажные системы на орошаемых землях: прошлое, настоящее, будущее. М.: 1999. 202 с.
4. Дренаж в бассейне Аральского моря в направлении стратегии устойчивого развития. //Труды научно-информационного Центра МКВК. 2004. С.83-88.
5. Якубов Х.И., Насонов В.Г., Абиров А.А. Важнейшие уроки многолетней практики мелиорации засоленных земель в Центральной Азии// Сб.докладов республиканской научно-практической конференции: «Проблемы мелиорации орошаемых земель, водообеспеченность и эффективное использование». Шымкент. 14-15 октября 2006 г.
6. Ходжибаев Н.Н., Шерфединов Л.З. /Вопросы гидрогеологического прогнозирования в аридных областях. //Ташкент. 1982. С.178.
7. Кудратов Т.У., Якубов М.А., Мирхасилова З., Усманов Ш.А. Современное состояние водно-солевого режима орошаемых земель в Бухарской области. //Мелиорация и водное хозяйство, №3, 2024. С. 4-7.
8. Тухтаева Г. П. «Водопотребление и коэффициент водопотребления хлопчатника сорта Бухара-8 в условиях аллювиально-луговой почвы Бухарской области»//Актуальные проблемы современной науки, 2023. № 3 С. 52-54.
