Введение
Значительная часть территории Алтайского края по климатическим условиям является зоной неустойчивого земледелия с дефицитом осадков в течение вегетационного периода. Поэтому одним из важных факторов повышения устойчивости урожаев сельскохозяйственных культур является орошение.
Актуальность работы. Освоение новых сельскохозяйственных угодий под орошение часто сдерживается не только дефицитом водных ресурсов, но и отсутствием качественных оросительных вод. Использование даже пресных вод зачастую приводит к возникновению негативных почвенных процессов, и, как следствие, снижению урожайности культур, а затем и выводу земель из сельскохозяйственного оборота.
По климатическим условиям левобережная часть Приобского плато относится к району недостаточного и неустойчивого увлажнения. Поэтому развитие орошения здесь - непременное условие стабильности высокого уровня сельскохозяйственной продукции. Необходимость проведения комплексных исследований по оценке пригодности подземных вод для орошения и разработка теоретико-методических рекомендаций по выбору водоисточника при проектировании гидромелиоративных систем определяет актуальность темы диссертационной работы.
Цель и задачи исследования. Цель исследований - установить наиболее перспективные, с точки зрения качества и ресурсного потенциала, водоносные горизонты, как источники воды для оросительных мелиорации.
С учетом поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Изучить общие закономерности химического состава и минерализации подземных вод.
2. Проанализировать результаты ирригационной оценки воды, полученные различными методами при значительном диапазоне минерализации и различном химическом составе.
3. Выбрать наиболее приемлемые методики оценки ирригационного качества воды.
4. Разработать рекомендации по использованию подземных вод для орошения.
Защищаемые положения:
1. Формирование химического состава подземных вод зоны активного водообмена определяется ландшафтнообразующими факторами (солнечная радиация, атмосферное увлажнение, геолого-структурное и лито-логическое строение, подземный и поверхностный сток), т.е. зависят от физико-географической обстановки в целом.
2. Использование подземных вод без комплексной мелиорации способствует развитию негативных почвенных процессов и снижению продуктивности агроэкосистем, поэтому при выборе водоисточника необходимо учитывать природно-мелиоративные, гидрогеолого-мелиоративные и мелиоративно-гидрохимические условия.
Научная новизна. Впервые для региона выполнена комплексная оценка качества подземных вод для целей орошения с учетом региональных гидрогеологических особенностей двух физико-географических провинций. Разработаны рекомендации по использованию подземных вод наиболее перспективных водоносных горизонтов (административный уровень).
Материалы и методы исследований. Работа написана на основе обобщения опубликованных материалов, анализа кадастров подземных вод, а также материалов, собранных автором в период экспедиционных работ 1985-2003гг. в рамках региональных программ и научно-исследовательских хоздоговорных работ АГАУ и ИВЭП СО РАН.
Математическая обработка результатов экспериментальных исследований химического состава поливной воды основана на систематизации,
классификации и анализе полученной информации методами табличного и графического изображения.
Практическая значимость работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по использованию подземных вод для целей орошения. Они могут быть востребованы при разработке проектов гидромелиоративных систем и возможном орошении.
Апробация работы. В 1991-2005гг. основные положения диссертации были представлены в виде докладов на международных (Тольятти, 1998; Москва-Барнаул, 2003), межрегиональных (Душанбе, 1991; Томск, 1993; Новосибирск, 1996; Рязань, 2004) и региональных научных конференциях (Барнаул, 1991, 2001, 2002). Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции (Барнаул, 2005г.) и объединенном семинаре профессорско-преподавательского состава кафедр института природообустрой-ства АГАУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 научных работах. Общий объем публикаций составляет 9 п. л., из них вклад автора составляет 4,5 п. л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 155 источников и приложения, содержит 20 таблиц и 27 рисунков.
Глава 1. Теоретические предпосылки оценки качества оросительных вод
1.1. Изученность вопроса
Мелиорация земель является объективной необходимостью для преобразования природных комплексов, социального и экономического развития России. Основоположники почвенно-мелиоративной науки В.В. Докучаев (1846-1903гг.), Н.М. Сибирцев (1860-1900гг.), А.А. Измаильский (1851-1914гг), П.А. Костычев (1845-1995гг.), Г.Н. Высоцкий (1865-1940гг), А.Н. Костяков (1887-1957гг.), С.Ф. Аверьянов (1912-1972гг.), А.Д. Брудастов, А.А. Черкасов, Б.А. Шмакова и другие ученые посвятили свои труды разработке научно-методических основ улучшения компонентов агроэколандшафтов.
Водные мелиорации (орошение, обводнение и осушение) - один из основных путей повышения урожайности сельскохозяйственных угодий, занимающих на планете 10% площади суши. Шестая часть этих земель мелиорирована, и с них получают от 40 до 50% всех производимых сельскохозяйственных продуктов. В России и странах ближнего зарубежья сельскохозяйственные земли, охваченные водными мелиорациями, занимают значительные площади. Гидромелиоративные системы являются крупными потребителями водных ресурсов. При проведении водных мелиорации ежегодно расходуется до 200 км3 воды (Государственный доклад..., 2004).
Оценка пригодности воды для орошения почв является одной из актуальнейших проблем орошаемого земледелия. Исследования по этой проблеме ведутся во всем мире. Накоплен определенный теоретический, экспериментальный и научно-производственный опыт по методам изучения и определения показателей качества оросительной воды. Вопросы применения вод различного состава и качества нашли отражения в работах А.Н. Костякова (1951), М.М. Крылова (1959,1971), В.М. Легостаева (1961), М.П. Запарий (1973), Н.А. Мосиенко (1976), И.Н. Угланова (1976), П.С. Панина (1980), I. Christiansen, E. Olsen (1977), Н. Bouwer (1987) и других ученых.
Вместе с тем, многие вопросы все еще остаются не решенными. В частности, не разработаны экологические требования к составу воды и орошаемым почвам с учетом природных ландшафтно-гидрогеологических и почвенно-геохимических особенностей, не выявлены закономерности изме-*, нения физико-химических, агрофизических и других свойств почв под
влиянием орошения водой различного качества.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что в сравнительно короткой истории изучения пригодности воды для орошения (1955-1992 гг.) можно выделить три периода (Зимовец, Хитров 1993).
Ранний период (1955-1970гг.) характеризуется тем, что пригодность воды для орошения определяется преимущественно по схеме вода - растение. Большинство исследователей (Костяков, 1951; Роговская, 1959; Шумаков, 1962,1969; Маслов, 1970; Антипов-Каратаев, Кадер 1961; Буданов, 1965; Багров, 1965; Крылов, 1952, 1959, 1971; Алекин, 1970; Посохов, 1969; Бей-ром, Гармонов, Михайлова, 1958; Мельников, Мичурин, 1959; Роде, 1952, 1965 и др.) при полагали, что на основе двусторонней связи можно оценить не только качество воды для орошения различных сельскохозяйственных культур в зависимости от их солеустойчивости, но и выявить опасность ее влияния на засоление, осолонцевание и другие деградационные процессы, происходящие на орошаемых землях. На начальном этапе не было обращено внимание на то, что между критическими параметрами солеустойчивости основных сельскохозяйственных культур (3...5 г/л) и оптимальной концентрацией почвенных растворов большей части высокоплодородных орошаемых почв существует значительное различие.
Второй период (1970-1990 гг.) отличается тем, что оценка пригодности воды для орошения ведется в системе вода - растение - почва (Аверьянов,
н
1978; Айдаров, 1985; Зайдельман, 1987, 1989; Рекс, Кирейчева, Якиревич,
1984; Перельман, 1975; Сойфер, 1986; Шестаков, Пашковский, 1982; Крайнов, Швец, 1980; Никаноров, 1989; Багров, Кружилин, 1978,1980; Панфилов, 1973; Kanemasu, Steiner, Biere, 1983 и др.), при этом учитывались
как физико-химические свойства почв (состав и емкость ППК, ионно-солевой состав почвенных растворов, рН и др.), так и агрофизические (гранулометрический состав, инфильтрационная способность, содержание глинистых частиц и т.д.). Например, в международном руководстве по ка- честву воды, подготовленном ФАО (1979, 1985), указано, что SAR воды как показатель опасности осолонцевания почв должен оцениваться дифференцированно, с учетом различной скорости инфильтрации.
В требованиях по оценке качества оросительной воды, разработанных во ВНИИГиМе и МГМИ, учитывается гранулометрический состав почвы, емкость обмена и состав почвенно-поглощающего комплекса (ППК). С учетом этих показателей выделяется четыре класса воды по минерализации и составу ионов, а также по их соотношению между собой (Айдаров, Голованов, Никольский, 1990; Безднина, 1989,1994).
Одновременно на Украине разрабатывается оценка пригодности оро-сительнои воды, основанная на термодинамической устойчивости системы: вода - почва. Используя показатели активности ионов кальция и натрия, а также их соотношения в воде и почве, авторы устанавливают различную степень устойчивости южных черноземов, орошаемых водами разного состава, к засолению, осолонцеванию и другим деградационным почвенным-процессам (Хохленко,1978,1988).
В это же время в Почвенном институте имени В.В.Докучаева (Зимо-вец, 1990) ведется разработка экспертно-аналитического метода оценки пригодности воды для орошения, основанного на сопряженном изучении ион-но-солевого состава воды и почвы. Этот метод позволяет получить новые числовые показатели качества оросительной воды с учетом состава и концентрации почвенных растворов, обеспечивающие экологическую сохран-ность почв при орошении.
Современный период исследований качества оросительной воды характеризуется еще более сложной методологической основой, учитывающей не только вещественный состав воды и почвы, солеустойчивость сельскохо-
зяйственных культур, но и агрономические, гидротехнические и экологические показатели агроэкосистемы (Кац, Шестаков, 1992; Безднина, 1994; Пе-рельман, Касимов, 1998; Шварцев, 1998; Лихацевич, 2000; Bouwer, 1991 и др.). Учет агрономических показателей обеспечивает высокий урожай и качество сельскохозяйственной продукции, воспроизводство почвенного плодородия. Гидротехнические показатели влияют на сохранение и эффективное использование гидромелиоративных систем, а экологические - обеспечивают охрану почв, поверхностных и грунтовых вод от различного рода загрязнений и благоприятные санитарно-гигиенические условия жизне-обитания человека.
Современный этап характеризуется также разработкой методов математического моделирования при почвенно-экологической оценке качества оросительной воды (Якиревич, 1989; Горев, Пелешенко, 1991).
Таким образом, анализ публикаций по проблемам оценки качества оросительных вод свидетельствует о напряженном научно-методическом и теоретическом поиске решений и постепенном переходе исследований от простых моделей и связей к более сложным системным методам и оценкам.
Комплекс современных требований к качеству оросительной воды значительно усложняет поиск параметров и числовых значений, которые должны обеспечить сохранение и воспроизводство почвенного плодородия, предупреждение деградационных процессов на орошаемых почвах, благоприятное функционирование агроландшафта и всей экосистемы. Тем более, что теоретические и методические вопросы установления числовых показателей нормируемых компонентов в системе вода - почва — растение, остаются в стадии разработки. В настоящее время основным регламенти-рующим документом при оценке качества воды является ГОСТ 17.1.2.03-90 «Охрана природы. Гидросфера. Критерии и показатели качества воды для орошения» (Сб. ГОСТов, 2001).
1.2. Исходные теоретические исследования
По общепринятому определению (Горев, 1991) к ирригационным водам относятся природные воды различных типов, циркулирующие в ирригационной сети и применяемые в сельскохозяйственных мелиора- циях. Для орошения сельскохозяйственных земель используются поверхностные, подземные, сточные и возвратные воды. В настоящее время имеется ряд способов оценки качества оросительной воды, разработанных советскими и зарубежными исследователями (Ковда, 1968). При этом учитывается, что качество воды зависит от многих показателей: температуры воды, содержания и размеров взвешенных частиц, количества растворенных веществ, их состава и сочетания.
Так, например, установлено, что большая разница температур оросительной воды и почвы вредна для растений. Этот факт необходимо иметь в виду, прежде всего, при использовании обычно сравнительно холодных подземных вод. Оптимальной температурой воды для целей орошения является 18—20°С.
Оросительные воды зачастую содержат какое-то количество взвешенных частиц. Они аккумулируются в каналах и на орошаемых землях в виде ирригационных наносов. Илистые частицы диаметром до 0,005 мм являются ценным удобрением. Более крупные 0,005—0,200мм улучшают скелет почв, предотвращая ее заиление, а также способствуют кольматации ложа каналов. Еще более крупные осаждаются в каналах, уменьшают их пропускную способность, что обусловливает необходимость периодической чистки. В отечественной практике при удовлетворительном гранулометрическом составе ирригационных наносов хорошей считается вода с мутностью до 200 г/м , удовлетворительной — до 1000 г/м3. Важное значение суммарному содержанию взвешенных частиц в оросительной воде и их гранулометрическому составу придают исследователи и в других странах (Babovic, 1958; и др.).
К)
Оценка солевого состава вод для целей орошения выполняется по следующим показателям: минерализации, концентрации отдельных ионов или содержанию отдельных солей, химическому составу в целом, соотношению отдельных ионов или комбинаций, водородному показателю.
Несмотря на многочисленные исследования, единого мнения относительно предельных содержаний в оросительной воде растворенных солей и отдельных компонентов химического состава нет. Разработано несколько ирригационных показателей качества, которые основаны на учете различных зависимостей компонентов химического состава воды и получены для разных районов и условий орошения. Оценка качества одной и той же воды этими показателями часто не сопоставима и нередко имеет прямо противоположный смысл. Обычно пользуются каким-то одним показателем или несколькими сразу. Это предопределяет выполнение довольно большого объема вычислений, возможность субъективного подхода к оценке качества и вызывает недоверие к самим способам его определения.
Большинство исследователей при оценке качества воды используют показатель минерализации оросительных вод. Основоположником такой оценки является А. Н. Костяков (1951), который характеризует ирригационные свойства вод в соответствии с их минерализацией (таблица 1).
Таблица 1 Оценка качества воды по общей минерализации
Минерализация, г/л Оценка качества
Менее 0,4 Хорошая
0,4-1,0 (пресная) Ограниченное применение с учетом местных природных и ирригационных условий
1,0-3,0 (слабоминерализованные) Повышенная опасность для растений
Более 3,0 Вторичное засоление
Наиболее вредными для растений солями в поливных водах являются соли натрия; при этом допустимая концентрация отдельных солей в воде следующая:
и
карбонатов натрия (ЫагСОз) — до 1 ммоль/л;
хлористого натрия (NaCl) — до 2 ммоль/л;
сернокислого натрия (Na2SC>4) — до 5 ммоль/л.
Примерно аналогичные требования к оросительной воде по ее минерализации приняты в США (Маслов, Нестеров, 1967). Но, в зарубежной практике предельно допустимые концентрации соды в воде еще более низкие. Так, суммарное содержание гидрокарбонатов и карбонатов натрия более 2,5 ммоль/л, делает воду непригодной для орошения слабокарбонатных почв. Предельно допустимой концентрацией нормальной соды (NaHCCb) считается 64 мг/л, а ограничивающей — 32-64 мг/л. Подобные ограничения связаны не с токсичностью таких концентраций соды для растений, а с возможностью осолонцевания почв, бедных гипсом или другими солями кальция, под воздействием оросительных вод. Величины порогов токсичности солей в почвах с различным типом засоления приведены в таблицах 2,3,4.
При условии, что осолонцевание почв под влиянием оросительных вод не происходит, Н. Г. Минашина (1993, 2004) предлагает определять предельно допустимую минерализацию поливной воды путем решения уравнения солевого баланса зоны аэрации относительно Сор, считая, что конечная концентрация порового раствора равна предельно допустимой (порогу токсичности):
V (Ск - Си) = Vop Сор + q С,р; (1)
С*оР = [V (С*к - С„) - q Crp]/Vop (2),
где V — запасы воды в расчетном слое почвы при предельной полевой влагоемкости, 10*3 м;
Сн — минерализация почвенног раствора в начале расчетного периода, кг/м3;
Ск — то же в конце расчетного периода;
С*к — конечная минерализация почвенного раствора, равная порогу токсичности; Vop — оросительная норма (10"3 м);
12
Сор — минерализация оросительной воды, кг/м3;
q — количество грунтовых вод, поступивших за расчетный период, 10'3
м;
Сгр — минерализация грунтовых вод, кг/м3;
Сор — предельно допустимая минерализация оросительных вод.
По уравнению (2) определяется величина С*ор в условиях непромывного режима. В случае, если к началу расчетного периода почва промыта (концентрация С„ = С*ор) это уравнение будет выглядеть следующим образом:
С*Р = (VCK - qCrp)/(V + Vop); (3)
Если уровень грунтовых вод располагается ниже предельно допустимого, то есть q = 0, уравнение (3) примет вид
С*Р = V С*к /(V + Vop). (4)
При промывном режиме орошения, сопровождающемся процессами рассоления расчетного слоя, уравнения (1 — 3) трансформируются таким образом:
v (Ск . Сп) = VopCOp \и„ф СОр (Э)
V(C* -С 1 VC*
"р~ V V 'W op~ V
V -V 'W opV + V -V
op ' инф г ~ ' ор ' инф
где Уи„ф — количество оросительных вод, расходуемых на инфильтрацию, 10"3 м (остальные обозначения те же, что в формуле (2).) При Vop = УИНф предельно допустимая минерализация будет равна порогу токсичности (С*ор = С*к).
13
Величины порогов токсичности по сумме растворенных солей
Таблица 2
Тип засоления пород
Хлорид- Сульфат- Хлорид- Суль- Хлоридно- Сульфат- Сульфатный, Сме- Хлорид- Сульфат- Содово-
ный но- ный и фатный сульфат- ный и сульфатно- шанный но- но- смешан-
хлорид- хлоридно- ный хлоридно- хлоридныи, содовый, содовый, ныи
ный сульфат- сульфат- хлоридно- содово- содово-
ный ный гидрокарбонат- хлорид- сульфат-
ныи ныи ныи
т—1 00 о см см см f О о сп гН 00
о о о 00 О см о о
1О о 0,30 21,5 ol m о 1 ol m о| см о см о 0,15 10,8 О|
о т—1 т—1 т-Н col л CMj ^jT см •ч
о' СП о ol см ©1 Ol CM ol ^ о' Т-Н о" о о! г-
Примечание. В числителе - засоленность пород, %; в знаменателе - концентрация солей в гипотетических поро-вых растворах, кг/м3, при WH.B. - Wr = 18%; 5 = 1300 кг/м3.
14
Таблица 3
Величины порогов токсичности по сумме токсичных легкорастворимых солей
Тип засоления пород
Хлоридный Сульфатно-хлоридный Сульфатный Хлоридно-сульфатный Сульфатный, сульфатно-хлоридный, хло-ридно-гидрокарбонатный Хлоридно-содовый, содово-хлоридный Сульфатно-содовый, содово-сульфатный
0,03-0,04 0,05 0,15 0,05-0,10 0,15 0,10 0,15
2,2-2,9 3,4 10,8 3,4-7,1 10,8 7Д 10,8
Примечание. В числителе - засоленность пород, %; в знаменателе - концентрация солей в гипотетических поро-вых растворах, кг/м3.
Таблица 4
Величины порогов токсичности по содержанию отдельных ионов
Тип засоления пород
Хлоридный и сульфатно-хлоридный Сульфатный и хлоридно-сульфатный Содово-смешанный Смешанный
НСОз SO42' сг НСОз so4- сг НСОз СО32" SO4" сг НСОз SO4" сг Na+
0,06 0,05 ol f ol с 1 0,05-0,2 с т г т f 0,06 0,10 —1 1 SI F ol с oi \ 0,06 о1 с 0,02 51 F ol с 0,10 -11 0,06 0.10 Т 1 cl г ol с 0,02 1 С
Примечание. В числителе - засоленность пород, %; в знаменателе - концентрация солей в гипотетических поро-вых растворах, кг/м3.
15
Все выше изложенные уравнения свидетельствуют о том, что величина допустимой минерализации оросительных вод возрастает с увеличением скорости инфильтрации, т. е. величины оросительной нормы.
Н. Н. Угланов (1981) обобщил и сопоставил основные показатели по >> оценке солевого состава оросительных вод с целью найти то общее, что
характерно для каждого из показателей. При этом, прежде всего, учитывалось влияние оросительной воды определенного химического состава на развитие растений, процессы засоления и осолонцевания мелиорируемой толщи.
Следует отметить, что в различных классификациях оценка пригодности воды различной минерализации для орошения не всегда совпадает. Это объясняется краткосрочностью экспериментальных исследований и различиями в природных условиях объектов, для которых производится оценка. Установлено, что при ограниченных поливах и применении химических добавок величины предельно допустимых концентраций солей могут быть повышены. Во многих случаях представляется возможным повысить минерализацию оросительных вод до 2—3 г/л, а при хорошем дренаже — до 5—8 г/л. Анализ литературных источников показывает, что в условиях недостатка оросительных вод при благоприятной природно-мелиоративной обстановке для возделывания многих культур можно длительное время использовать воды повышенной минерализации.При орошении водами невысокой минерализации представляет опасность осолонцевание почв, заключающееся в замене в обменном комплексе почвы двухвалентных ионов на одновалентные. Осолонцевание снижает водопроницаемость почвы, увеличивает ее дисперсность, пластичность, набухаемость, что приводит к деградации структуры почвы и потере ею плодородия. Осолонцевание заключается в основном в поступлении в почву из воды натрия в обмен на ионы кальция и магния, которые вымываются из коллоидной фазы почвы в почвенный раствор. При этом ионы натрия поглощаются почвой при следующем соотношении:
где концентрация катионов приведена в эквивалентной форме.
И. Н. Антипов-Каратаев и Г. М. Кадер (1961) выявили следующую закономерность между поглощением почвой натрия и содержанием соды в воде:
у = 12 + 92 log С, (9)
где у— содержание в почве обменного натрия, ммоль/100 г почвы; С — содержание соды в оросительной воде, ммоль/л.
В дальнейшем авторы предложили для ирригационной оценки воды в отношении ее способности к осолонцеванию почв следующую зависимость:
[Na+\x0,23C
где К — коэффициент ионного обмена между водой и почвой; [Са2+], [Mg2+], [Na+] — концентрации катионов, ммоль/л; С — минерализация воды, г/л.
Если К >1, то вода считается пригодной для орошения, если К <1 — вода непригодна для полива.
По содержанию в воде хлоридов и сульфатов натрия Стеблер (1962) предложил рассчитывать щелочную характеристику, выраженную в виде ирригационных коэффициентов, представляющих собой слой воды в дюймах, который содержит щелочей столько, сколько необходимо для того, чтобы почва стала вредной до глубины 1,2 м для большинства культурных растений (таблица 5).
По значениям данных коэффициентов определяется качество воды:
Ки> 18-хорошее;
Ки от 18 до 6 — удовлетворительное;
Ки от 6 до 1,2 - неудовлетворительное;
Ки < 1,2 - плохое, т.е. вода является не пригодной для орошения.
17 |
