ВведениеОрошаемое земледелие является одним из существенных потребителей пресной природной воды в сельскохозяйственном производстве, особенно это касается рисовых оросительных систем, на которых на возделывание риса затрачивает от 13 до 28 тыс. м3/га оросительной воды [1]. При этом значительная ее часть (более 20 %) в виде дренажно-сбросных вод поступает за пределы системы, оказывая существенное негативное влияние на компоненты природной среды. Для рационального использования водных ресурсов, повышения ценности экосистемных услуг, предотвращения процессов деградации земельных угодий и загрязнения водных объектов, а также поддержания экологической устойчивости мелиорируемых агроландшафтов, необходимо улучшение качества дренажно-сбросных вод и их преимущественное повторное использование на орошение. Особенно остро это проявляется в вододефицитных регионах, где практически все природные водные объекты в силу специфики климата имеют повышенную минерализацию. Недостаточность качественных водных ресурсов сдерживает развитие растениеводства, особенно рисосеяния, для которого благоприятны климатические условия. К таким регионам относится республика Калмыкия, которая испытывает недостаток водных ресурсов из-за чего в настоящее время орошаемые площади, особенно под посевы риса в Сарпинской низменности ежегодно сокращаются. Одним из возможных направлений повышения эффективности использования водных ресурсов является очистка и водоподготовка дренажно-сбросных вод с рисовых оросительных систем с последующим их использованием на орошение [2]. Цель исследования – разработка природоподобной агроинженерной технологии очистки и улучшения качества слабоминерализованных сбросных вод с рисовых оросительных систем.Объект и методика исследований Сарпинская низменность республики Калмыкия характеризуется низкой влагообеспеченностью (годовая сумма осадков 243…278 мм), высокой испаряемостью (1100…1180 мм/год) и суммой активных температур (Σt > 100C = 3300…35000C). Площадь сельскохозяйственных угодий на 2019 год составляет 1,27 млн га, исторически сложившаяся специализация сельскохозяйственного производства – животноводство (овцеводство и мясное скотоводство) и земледелие (производство кормовых и зерновых: риса, озимой пшеницы и ярового ячменя). Пашня составляет в среднем по зоне 22% от площади сельхозугодий. Площадь пахотных орошаемых земель 17,6 тыс. га или 4,8 % от общей площади пашни и 1,1 % от площади сельхозугодий. В последние годы ввиду нехватки воды площади под посевы риса сокращаются: если в 2010 году по рис использовалось 5300 га, то в 2019 году 3300 га [3]. Основным источником орошения является река Волга, вода которой при низкой минерализации до 0,7 г/л может иметь разнообразный химический состав: от гидрокарбонатно-кальциевого до сульфатно-кальциево-натриевого типа. Дренажно-сбросной сток в период затопления риса имеет минерализацию 0,9-1,7 г/л, по химическому составу хлоридно-натриевый, а к концу вегетации и во вневегетационный период содержание солей возрастает до 6,0 -7,0 г/л при преобладании ионов хлора, сульфата и натрия.  Оценка качества дренажно-сбросных вол показала, что они относятся к III-IV классам. Ирригационный коэффициент составляет 5,33, что характеризует воду как неудовлетворительного качества для орошения и ее использование может вызывать процессы засоления и осолонцевания почвы, а повышенные значения pH неблагоприятно сказываются на продуктивности с.-х. культур, особенно при их возделывании на тяжелых почвах. Поэтому применение ранее разработанных водооборотных технологий на рисовых оросительных системах, включающих использование неподготовленных дренажно-сбросных вод (ДСВ) на орошение [4,5,6,7] может негативно повлиять на урожайность, качество риса и плодородие почвы. Для предотвращения негативного воздействия вод требуется их очистка от биогенных загрязнителей, снижение общей минерализации до допустимых пределов и формирование благоприятного соотношения основных ионов.Результаты и обсуждениеВо ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова» разработана агроинженерная технология очистки и обессоливания ДСВ с рисовых систем, в основу которой  положена предпосылка об использовании естественных процессов сорбции минеральными природными и искусственными сорбентами и поглощение загрязняющих веществ и отдельных солей высшей водной растительностью (ВВР). ВВР обладает способностью удалять из воды загрязняющие вещества: биогенные элементы (азот, фосфор, калий), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты, что широко используется при очистке сточных вод. Принцип действия предлагаемой технологии заключается в мобилизации природных возможностей самоочищения экосистем водных объектов, что позволяет минимизировать применение материально-технических средств и энергетических ресурсов.Прототипом являются габионные очистные фильтрующие сооружения [8]. Отличительная особенность при очистке ДСВ с рисовых оросительных систем состоит в том, что, помимо биогенных загрязнителей и тяжелых металлов, необходимо понизить минерализацию воды за счет снижения ионов хлора, натрия и магния, а также сбалансировать соотношение Са/Na и разность (СО32- + НСО3-)-(Са2+ + Mg2+). Для этого потребуется дополнительная обработка воды кальцийсодержащими веществами.Для подбора сорбентов и изучения солепоглащающей способности растений, растущих в условиях резко континентального климата Сарпинской низменности, были проведены исследования в условиях максимально приближенных к естественным на специально разработанной установке. Для исследования были выбраны природные и искусственные материалы, обладающие сорбционными свойствами: агроионит, диатомит, сапропель, цеолит, перлит, вермикулит, а также местные солепоглощающие растения: рогоз широколистный (Týpha latifólia), осока черная (Carex nigra) и осока обыкновенная (Carex nigra). Результаты исследований показали, что для эффективного обессоливания можно использовать сорбенты агроионит, состоящий из набора слоистых алюмосиликатов группы глауконитов и глинистых минералов группы монтмориллонитов, и диатомит. Для усиления сорбционных свойств был разработан комплексный сорбент, включающий сорбенты агроионит и перлит, которые обладают разными механизмами сорбции. Указанные сорбенты в сочетании с ВВР показали наилучший эффект по очистке и обессоливанию ДСВ на модельном опыте.Для использования в натурных условиях было разработано и запроектировано специальное биосорбционное сооружение (БСС) применительно к очистке дренажно-сбросных вод с рисовых оросительных систем. В состав БСС входят четыре ступени очистки: отстойник, фильтрующая камера с диатомитом и щебнем, комплексное биоплато, фильтрующая камера со специально разработанным комплексным сорбентом (рисунок 1).    Рисунок 1 - Структурная схема биосорбционного сооружения (профиль)  Вода в биособционное сооружение закачивается из сбросного канала в отстойник с помощью насоса, где происходит осаждение взвешенных веществ. Отстойник в составе БСС выполняет также функцию аккумулирующей ёмкости, обеспечивая приём поступающей воды. Расчет рабочего объема отстойника выполнялся по рекомендациям  НИИ ВОДГЕО [9]. Скорость воды в аккумулирующей емкости-отстойнике определяется конструкцией фильтрующей камеры с зернистой загрузкой и должна обеспечивать необходимую эффективность очистки от взвешенных частиц. Следует заметить, что ДСВ, как правило, содержат незначительное количество взвешенных частиц, поэтому скорость течения определяется расходом фильтрации через фильтрующие элементы. Этот расход в зависимости от размеров сооружения  может составлять от 1 л/с до 100 л/с и более. Из отстойника осветлённая вода фильтруется через камеру, заполненную щебнем средней фракции (20х40мм) и диатомитовым порошком NDP-600 с целью доочистки от взвешенных частиц и сорбции диатомитом тяжелых металлов и некоторых солей.После фильтрующей камеры сток попадает на комплексное биоплато, на котором высажена высшая водная растительность, которая произрастает непосредственно в зоне сбросного канала. ВВР также служит субстратом для дальнейшего развития различных видов водорослей, грибков, бактерий. Благодаря совместному действию сообществ растений и микроорганизмов происходит наилучшее поглощение биогенных веществ, тяжелых металлов, насыщение воды кислородом. Для повышения эффективности очистки в биоплато установлены специальные сооружения (демпферы) для гашения скорости потока, что необходимо для увеличения времени контакта воды с растительным сообществом. Кроме того, исключается проблема вымывания почвы из камеры биоплато.На заключительном этапе вода попадает в фильтрующую камеру со специально разработанным для данного типа воды комплексным сорбентом (агроионит + перлит агротехнический), где происходит окончательная доочистка стока, кондиоцирование воды для ее последующего использования. После очистки вода перекачивается в оросительный канал для повторного использования на орошение риса или сбрасывается в водные объекты.Проверка технологии выполнялась на Сарпинской ООС в Калмыкии. Площадь системы составляет 46,5 тыс. га. Под производство риса занято 24,2 тыс. га (это общая площадь затопления в системе). Сооружение рассчитано на подачу воды расходом 1 л/с, его параметры следующие: длина 55 м, ширина 3,2 м, объем отстойника 20 м3. Строительство сооружения осуществлялось в мае 2021 года непосредственно возле сбросного канала с целью возможности забора воды помпой. Пуск сооружения произведен в июне 2021 г. Общий вид построенного опытного биосорбционного сооружения представлен на рисунке 2.Вода из сбросного канала подавалась мотопомпой в начало БСС. Минерализация воды в сбросном канале составляла 4,3 г/л. С 1 по 11 июня регулярно два раза в сутки в 9-00 и 20-00 выполнялись замеры электропроводности воды на входе и выходе из биосорбционного сооружения, а также производился отбор проб воды на химический анализ. Результаты наблюдений представлены в таблице 1.  Рисунок 2 – Общий вид опытного биосорбционного сооружения на Сарпинской рисовой оросительной системе в Калмыкии       Таблица 1 – Результаты химических анализов проб воды в сбросном канале и на выходе из БССДата и время отбора пробМинерализа-ция (г/л)Ca2+ (мг/л)Cl- (мг/л)SO42-(мг/л)NH4+(мг/л)К+(мг/л)HCO3-(мг/л)Сбросной канал4,3100,578,24,231,45212,44620401.07.2021 (9:00)0,8288,9269,344,21,2348,2351862.07.2021 (9:00)0,6599,1266,543,871,3225,7742002.07.2021 (20:00)0,6599,6565,23,91,2484,9611783.07.2021 (9:00)0,65100,2363,73,761,2171,9351763.07.2021 (20:00)0,57100,1552,803,551,2081,4831654.07.2021 (9:00)0,57100,2048,873,451,2450,8141644.07.2021 (20:00)0,57101,3346,953,51,2560,7761595.07.2021 (9:00)0,57102,4744,023,291,1560,7621535.07.2021 (20:00)0,49103,6041,753,231,1460,5671486.07.2021 (9:00)0,49104,7339,323,251,1490,3791436.07.2021 (20:00)0,57106,1736,903,161,1450,3161427.07.2021 (9:00)0,49106,3434,473,081,1390,2551387.07.2021 (20:00)0,57108,7232,043,021,2030,2431348.07.2021 (9:00)0,65108,834,443,11,2010,1321328.07.2021 (20:00)0,49110,633,512,991,0930,1351299.07.2021 (9:00)0,57112,432,5831,0990,0581309.07.2021 (20:00)0,65114,231,662,831,0540,05512610.07.2021 (9:00)0,66117,0930,492,741,0550,02312610.07.2021 (20:00)0,65116,330,452,71,0530,02512411.07.2021 (9:00)0,65120,828,272,770,9590,01312211.07.2021 (20:00)0,66124,628,122,560,9540,016120 Как видно из таблицы, в биосорбционном сооружении происходит очистка и деминерализация воды. Минерализация воды понижается с 4,3 г/л до 0,49…0,66 г/л, то есть почти в 10 раз, что связано с процессами сорбции, происходящими при контакте с диатомитом и комплексным сорбентом. Кроме того, вода обогащается ионом кальция, его содержание увеличилось за 10 дней с 100,5 мг/л до 124, 6  мг/л, то есть на 20 %, а ион хлора уменьшается с 78,2 до 28,12 мг/л, в 2,6 раза. Таким образом, соотношение Са/Na в воде улучшилось (рисунок 3).  Рисунок 3 – Диаграмма изменения минерализации и химического состава воды на входе в БСС и выходе из него Роль высаженных растений заключалась в поглощении биогенных элементов NH4+ и К+, произошло снижение NH4+ с 1,45 до 0,94 мг/л, а иона калия с 12,4 до 0,016. Вода, прошедшая через БСС, полностью соответствует качеству оросительной воды, которая подается на рисовую оросительную систему. Экономический эффект достигается за счет снижения затрат на подачу воды. Так, по данным ФГБУ "Управление "Калммелиоводхоз" в 2021 году плата за оказание услуг по подаче 1 куб.м.воды с учетом НДС составила 0,17 руб./куб.м в зоне безмашинного подъема и 0,5 руб./куб.м в зоне машинного подъема.ЗаключениеВ качестве одного из возможных мероприятий по экономии водных ресурсов на рисовых оросительных системах и охране окружающей среды может стать повторное использование дренажно-сбросных вод на орошение риса или сопутствующих культур. Для этих целей разработано и прошло производственную проверку в Калмыкии новое инженерное биосорбционное сооружение, обеспечивающее эффективное снижение минерализации воды и ее очистку от биогенных элементов. Снижение минерализации составило с с 4,3 г/л до 0,49…0,66 г/л, а аммонийного азота с 1,45 до 0,94 мг/л, также наблюдалось уменьшение содержания хлора и увеличение содержания кальция, что благоприятно сказалось на качестве воды. В зависимости от объема дренажно-сбросных вод и территориальных возможностей рисовых систем для строительства биосорбционных сооружений, экономия водных ресурсов может составить более 30%.