Введение к работе
Актуальность проблемы, В последние годы в России из-за резкого снижения инвестиций в мелиорацию произошло сильное сокращение объемов мелиоративных работ, практически прекращена реконструкция оросительных и осушительных систем. Площади мелиорируемых земель к 2003 г. уменьшились по сравнению с 1990 г. с П,3 до 9,2 млн.га, или на 18,6%, в том числе орошаемых - с 6,2 ДО 4,5 млн.га, или на 26% (ниже уровня 1980 г.)
В связи с отсутствием надлежащей эксплуатации мелиоративных систем сокращаются площади ранее мелиорированных земель, снижается устойчивость земледелия, обостряются экологические и экономические проблемы. В результате такого бесхозяйственного отношения к земле получают развитие процессы водной эрозии почв, подтопления и деградации орошаемых земель, особенно для засушливой зоны России, в частности Астраханской области.
Астраханская область является ведущей областью России по поставке овошей, зерна и риса. Однако выращиваемые урожаи, в том числе на орошаемых землях, остаются низкими, одной из причин чего является недостаточно эффективное использование орошения.
Основным способом орошения в сухостепной зоне является дождевание с преимущественным использованием для полива двухконсольного дождевального агрегата ДЦА-100МА. Из-за высокой интенсивности дождя, присущей этому типу машин, не удается подать в данных почвенных условиях расчетную поливную норму без поверхностного стока, что ведет к неравномерному распределению воды по площади и, как следствие, ухудшению водно-физических свойств почв и снижению их плодородия.
Возможность поддержания рационального режима влажности почвы при поливе дождеванием без поверхностного стока зависит от трех основных факторов - впитывающей способности почвы, интенсивности дождя и величины поливной нормы. Повышение эффективности орошения дождеванием, с точки зрения сохранения плодородия почвы к экономии поливной воды, возможно путем воздействия на все эти факторы.
Уменьшение интенсивности дождевания увеличивает объем поданной поливной воды до образования поверхностного стока, названный «нормой до стока». Однако при уменьшении интенсивности дождя снижается производительность поливной техники и, соответственно, увеличиваются эксплуатационные затраты. Кроме этого, в условиях сильных ветров и высокой испаряемости, снижение интенсивности дождя допустимо лишь до определенных пределов, В связи с этим, особого внимания заслуживает повышение впитывающей способ' посты почвы и нормы до стока при поливе дождеванием с высокой интенсивностью дождя, разработка технологических и агромелиоративных мероприятий, технических решений, научному обоснованию которых посвящены данные исследования.
Задача повышения впитывающей способности почвы особенно актуальна при использовании для орошения сточных вод, в том числе животноводческих стоков, являющихся дополнительным источником водных..ресурсов-и пита-
j-M/rt
тельных элементов. Вместе с тем, при распределении сточных вод дождевальными машинами (ДМ) возникают другие проблемы, включая снижение скорости впитывания сточных вод по сравнению с чистой водой и относ дождя ветром, что можетпривести к загрязнению сопряженных земель.
Решение проблемы качественного полива дождеванием, связанной с разработкой мероприятий, повышающих впитывающую способность почв, в том числе при поливе сточными водами, является актуальным, своевременным и имеет важное теоретическое, практическое значение.
Цель работы - разработать комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение впитывающей способности почв и нормы до стока, снижение поверхностного стока и относа дождя ветром при поливах лождеваннем, в том числе при распределении сточных вод. Для достижения намеченной цели предусматривалось решить следующие задачи:
изучить закономерности впитывания воды в почву в напорном и безнапорном режимах при дождевании;
определить факторы, влияющие на скорость напорного впитывания воды и животноводческих стоков в почву на примере бурых полупустынных почв;
выявить пути снижения потерь воды на поверхностный сток и испарение;
определить зависимости скорости впитывания воды в почву при прерывистом поливе и поливе животноводческими стоками;
обосновать способ оструктуривания почвы с помощью гелеобразного поли-акриламида (ПАА) и технологию внесения его в почву;
дать технические решения по улучшению качества дождя и снижению относа дождя ветром при распределении сточных вод;
оценить технологические и агромелиоративные мероприятия, повышающие впитывающую способность почв и норму до стока при дождевании;
наметить пути повышения эффективности полива дождеванием.
Для решения поставленной цели использован комплексный подход, включающий разработку технологических, агромелиоративных мероприятий и технических решений по повышению качества и эффективности полива дождеванием, обеспечивающих снижение водной эрозии почв и загрязнение окружающих земель, особенно при поливе сточными водами.
Методология исследований. Использованы фундаментальные труды отечественных и зарубежных ученых по мелиорации сельскохозяйственных земель и система общих знаний в области земледелия, почвоведения, математики, вычислительной техники. В качестве методологической основы применен системный подход, анализ и синтез полученных знаний. Результаты исследований обработаны с применением методов математической статистики. При проведении экспериментов использовались стандартные методики исследований. Достоверность научных результатов и выводов подтверждается хорошей сходимостью опытных данных и предлагаемых зависимостей.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований автора более чем за 20-летний период. При непосредственном участии автора проведены полевые и лабораторные опыты: в экспедиции Московского гидромелиоративного института
(МГМИ) в Астраханской области (1978-1981 гг.); во ВНИИ по сельскохозяйственному использованию' сточных вод (ВНИИСС8) «Прогресс» (1982-1984 гг.), в ВНИ и проектно-техно логическом институте, химизации и мелиорации (ВНИПТИХИМ в 1985-1988 гг.) - в Московской, Владимирской и Оренбургской областях. В последние годы автор обработала полученный ею опытный материал, проанализировала литературный и фондовый материал в области мелиорации и водного хозяйства, участвовала в составлении ряда методических рекомендаций по орошению, концепции развития мелиорации в России. Научная новизна работы заключается в следующем:
- получена зависимость впитывающей способности почвы от интенсивности
дождя и водно-физических свойств почв, что является развитием теории влаго-
переноса в почве;
показана возможность использования упрощенного уравнения влагопро-водности для решения практических задач;
- разработан метод расчета вероятности появления поверхностного стока
при малой интенсивности дождя;
- определены значения эмпирических коэффициентов в формуле А.Н. Кости
кова при напорном режиме впитывания воды в почву, в сравнении с безнапор
ным режимом при дождевании; при впитывании воды и животноводческих сто
ков в лабораторных и полевых условиях;
установлены зависимости скорости впитывания воды и животноводческих стоков в почву от крупности почвенных фракций, очередности полива, степени разбавления стоков, или их концентрации;
получены экспериментальные зависимости для расчета скорости впитывания воды в почву при поливах дождеванием с разной интенсивностью дождя, нормы до стока при прерывистом поливе, объема поверхностного стока при изменении интенсивности дождя и поливной нормы;
- доказано, что при выборе дождевальных машин необходимо учитывать
снижение скорости впитывания воды в почву при безнапорном режиме дожде
вания по сравнению с напорным, технологию полива и обработки почвы;
- предложен способ оструктуривания почвы с помощью ПАА (положитель
ное решение на изобретение) и технология внесения ПАА в почву с помощью
гидроподкормщиков (авт. свид. № 1017201 и 1431705);
разработан комплекс технологических, агромелиоративных мероприятий и технических решений, направленных на повышение впитывающей способности почвы, снижение поверхностного стока, улучшение качества дождя и уменьшение относа его ветром (авт. свид. №1109089).
предложены технические решения для повышения надежности технологического процесса полива сточными водами при применении новых конструкций дождевальных аппаратов (авт. свид. 1516064) и машин (многоопорная ДМ -авт. свид.1323041, дождевальный трубопровод -авт. свид, 1253521);
- дана сравнительная эколого-экономическая оценка предложенных меро-'
приятии, в том числе влияния поверхностного стока и оструктуренности почвы
с помощью ПАА на урожайность сельскохозяйственных культур и эффектив
ность полива дождеванием.
Основные защищаемые положения.
1. Теоретические и эмпирические закономерности процессов впитывания
воды в почву, включая зависимости:
скорости инфильтрации при напорном и безнапорном (при дождевании) режимах впитывания воды в почву;
нормы до стока от интенсивности дождя и продолжительности перерывов в дождевании;
объема поверхностного стока от интенсивности дождя и поливной нормы;
скорости напорного впитывания воды и животноводческих стоков в почву от крупности почвенных фракций, очередности полива и степени разбавления стоков.
-
Метод расчета вероятности образования поверхностного стока при малой интенсивности дождя.
-
Способ оструктуривания почв ПАА, технология его внесения в почву,
4. Комплекс технологических и агромелиоративных мероприятий, техни
ческих решений, обеспечивающий повышение впитывающей способности поч
вы, нормы до стока и эффективности полива дождеванием; улучшение качества
дождя; снижение потерь воды на испарение, поверхностный сток и относ дождя
ветром, в том числе при поливе сточными водами.
Практическое значение и реализация работы. Изучение впитывающей способности бурых полупустынных почв позволило автору развить теорию движения воды в почве при поливах дождеванием и показать пути повышения качества и эффективности орошения. Обоснована возможность использования теоретических методов для практических расчетов при проектировании режимов орошения сельскохозяйственных культур при поливе дождеванием. Разработаны способ оструктуривания почвы ПАА, технология его внесення в почву и новые конструкции гидроподкормщиков. Для улучшения качества дождя, снижения относа дождя ветром и повышения надежности технологического процесса полива при распределении сточных вод предложены к внедрению новые конструкции дождевальных машин и аппаратов. Разработанные мероприятия и технические решения использованы при составлении рекомендаций по совершенствованию конструкций ДМ и технологии орошения дождеванием.
Технологические и агромелиоративные мероприятия по повышению впитывающей способности почвы, нормы до стока и снижению объема поверхностного стока внедрены в Астраханской, Волгоградской и Ростовской областях. За работы по повышению эффективности орошения автор награждена двумя медалями ВВЦ РФ.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе одна монография, шесть авторских свидетельств на изобретения. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрения на международных и республиканских совещаниях, научно-технических конференциях в г. Ашхабаде (1979), Ташкенте (1981), Баку (1982), Новочеркасске (1998); Волгограде (1998), Угличе (1999), Саратове (2000), Минске (2001), Ростове-на-Дону (2002), Москве и Московской области - МГМИ (1978-1982),
ВНПО «Радуга» (1982), Московском областном Совете НТО (1982), ВНПО «Прогресс» (1983 и 2002), ВНИИГиМ (2000).
Структура и о&ъем работы. Диссертация изложена на 298 стр. машинописного текста и включает: 67 рисунков, 31 таблицу, 38 приложений, список использованной литературы из 341 наименования, в т. ч. публикации 20 зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендации производству, актов внедрения разработок.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь и научные консультации докторам наук: академикам Россельхозакадемии Н.Г. Ковалеву, 6.С. Маслову, И,П. Кружилику; чл.-коор. И.Б. Ускову; проф. Б.Ф. Никитенкову, Л.В. Кирейче-вой, В.П. Якушеву, A.M. Глобус, М.В. Архипову, В.Ф. Николенко,
