Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Рассмотрено существующее положение орошаемого земледелия в стране и выявлены основные причины снижения эффективности оросительных мелиораций. Показано, что эффективность использования водных ресурсов в мелиоративном комплексе остается достаточно низкой, что связано с техническим состояние оросительных систем, отсутствием автоматизации водораспределения на межхозяйственных оросительных сетях и непосредственно на орошаемом поле для управления поливами. Средняя по стране оросительная норма за последнее десятилетие составила 4,5-4,8 тыс. м3/га, а без учета рисовых систем 2,1 тыс. м3/га. Предложенв следующие направления водосбережения в орошаемом земледелии: внедрение малообъемного орошения, оптимизация водораспределения на государственных оросительных системах, точное управление поливами, использование на орошение дополнительных источников воды, создание водооборотных систем с полным циклом оборота, применение агромелиоративных мероприятий для восполнения запасов почвенной влаги. Все это обеспечить экономию водных ресурсов не менее на 50%.
орошаемое земледелие водные ресурсы, водосбережение, малообъемные технологии, водооборотные системы
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. Доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2020 году». – М.: Росводресурсы, НИА-Природа, 2022. – 510 с.
2. Мелиоративный комплекс Российской Федерации: информ. издание. – Москва:ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 304 с.
3. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2022 году. Государственный доклад. – М.: Минприроды России; МГУ имени М.В. Ломоносова, 2023. – 686 с.
4. Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2018 году». – М.: НИА-Природа, 2019. – 290 с.
5. Доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2020 году». – М.: Росводресурсы, НИА-Природа, 2022. – 510 с.
6. Кирейчева, Л. В. Биосферно-экологическое обоснование комплексных мелиораций / Л. В. Кирейчева. – Текст : непосредственный // Природообустройство. – 2023. – №2. – С. 15-22
7. Л.В Кирейчева, Д.А. Рогачев, И.Ф. Юрченко, А.Ф. Рогачев Оптимизация распределения ограниченных водных ресурсов методами эволюционно-генетического программирования //Международный сельскохозяйственный журнал. Т. 67. № 2 (398) – 2024. С. 233- 238
8. Кирейчева Л.В., Супрун В.А. Очистка дренажных вод - важное направление водосбережения в орошаемом земледелии // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2023. № 2 (70). С. 65-71.
9. Кирейчева Л.В., Глазунова И.В. Методика расчета прудов-накопителей дренажного стока для локальных участков орошения // Природообустройство №5. 2012. С. 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.
