Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздействие антропогенной деятельности на компоненты природной среды. Повышение экологической безопасности функционирования мелиоративных систем: проблемы и пути их решения 14
1.1 Особенности антропогенных воздействий на экологическое состояние природной среды 14
1.2 Оценка влияния мелиоративного воздействия на природную среду в современных условиях 32
1.3 Постановка проблемы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и пути ее решения 42
Выводы по главе 1. 48
Глава 2. Теоретические основы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем 50
2.1 Подходы к анализу функционирования мелиоративных систем на основе вещественно-энергетических оценок 51
2.2 Теоретическое обоснование термодинамического метода анализа эффективности мелиоративных воздействий 57
2.3 Изучение вещественно-энергетических балансов при антропогенном воздействии 77
2.3.1 Изменение энергетических показателей геосистем 77
2.3.2 Динамика гумуса почв при антропогенных воздействиях 93
2.3.3 Оценка динамики формирования продуктивности агроценозов 100
2.3.4 Система показателей экологически безопасного функционирования агрогеосистем 112
2.4 Концептуальная модель функционирования мелиоративных систем 115
Выводы по главе 2. 124
Глава 3. Оценка экологической безопасности функционирования мелиоративных систем на основе выполнения ансамблевых прогнозов 126
3.1 Методология ансамблевого прогнозирования процессов при антропогенном воздействии 129
3.2 Система эколого-математических моделей прогнозирования 138
3.2.1 Исследования по изучению моделей среды и результаты экспериментального изучения структуры порового пространства 140
3.2.2 Эколого-математические модели прогнозов природно-мелиоративных процессов 161
3.3 Реализация многокомпонентной модели равновесной химической термодинамики 184
Выводы по главе 3. 197
Глава 4. Сценарные исследования и оценка обобщенных геоэкологических рисков 199
4.1 Методика проведения сценарных исследований 199
4.2 Результаты сценарных исследований по водосборному бассейну р. Медвенки 205
4.3 Методология и количественная оценка обобщенных геоэкологических рисков 217
4.3.1 Методика вычисления геоэкологических рисков и ущербов 218
4.3.2 Результаты количественной оценки суммарных экологических ущербов на конкретном объекте 227
Выводы по главе 4. 231
Глава 5. Эколого-мелиоративный мониторинг информационная основа для управления экологической безопасностью функционирования мелиоративных систем 233
5.1 Основные положения формирования эколого-мелиоративного мониторинга 234
5.2 Система геоэкологических показателей и их ограничения при мелиоративном воздействии 244
5.3 Особенности проведения регионального эколого мелиоративного мониторинга агроландшафтов Смоленской области 251
Выводы по главе 5. 257
Глава 6. Технология повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и ее реализация на конкретном объекте 259
6.1 Обобщенная функционально-технологическая схема повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем 259
6.2 Реализация технологии на примере Аштского массива орошения 266
Выводы по главе 6. 278
Заключение 280
Литература 286
- Особенности антропогенных воздействий на экологическое состояние природной среды
- Динамика гумуса почв при антропогенных воздействиях
- Реализация многокомпонентной модели равновесной химической термодинамики
- Реализация технологии на примере Аштского массива орошения
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время развитие многих отраслей народного хозяйства, в том числе и сельскохозяйственного производства, характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Из большого числа различных видов антропогенной деятельности сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство по своему масштабу и интенсивности оказывает наиболее глубокое воздействие на природную среду.
Функционирование объектов природообустройства, наряду с достижением определенного народно-хозяйственного эффекта, сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий, таких как подтопление и заболачивание, засоление и осолонцевание, эрозия почв и т.д. Это приводит к деградации, загрязнению почв, к ухудшению качества поверхностных и подземных вод, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и, соответственно, осложнению экологической ситуации.
В материалах третьего Всероссийского съезда по охране природы (Москва, 2003) при оценке состояния природной среды подчеркнуто, что «несмотря на некоторую стабилизацию экологического состояния окружающей среды (за период 1987-1999 гг.) в 2000 году появилась устойчивая тенденция к увеличению объема негативных экологических последствий, прежде всего из-за ослабления деятельности всей природоохранной системы и невысокого уровня природоохранных технологий». Ухудшение экологических условий и масштабность их проявления обостряют потребность в нахождении путей решения проблемы по снижению негативных последствий и интенсификации фундаментальных и прикладных исследований по решению этой проблемы.
К настоящему времени на территории России эксплуатируется большое количество техно-природных систем (ТПС) различного назначения — промышленных, транспортных, мелиоративных, сельскохозяйственных, водохозяйственных, гидротехнических и т.п., построенных в 60-80 годы. Использование морально устаревших технических средств, отсутствие современных технологий и применение технологий, не адекватно учитывающих природные условия и экологические ограничения, высокая изношенность основных фондов большинства сооружений, составившая в последние годы 70-90%, все это усиливает возможность возникновения аварий и экологических кризисов по причинам техногенного и природно-техногенного характера в самые ближайшие годы.
Так, в 2002 году количество природно-техногенных аварий было превышено на 18%, а по причинам техногенного характера на'30% по сравнению с 2001 годом, и в дальнейшем, начиная с 2004 года, следует ожидать их катастрофическое увеличение (В.И.Осипов, 2003). Более того, риск таких аварий существенно возрастает на фоне участившихся природных катастроф, вызванных гидрометеорологическими причинами. Удельный вес таких процессов составляет более 80%, они приводят к потере управления ТПС и вызывают серьезные экологические последствия и даже человеческие жертвы. В 2002 году произошли крупные природно-техногенные аварии на гидротехнических сооружениях из-за крупнейших навод-
нений на юге России (Краснодарский и Ставропольский края), отказ которых произошел на фоне технического износа гидротехнических сооружений.
Политические и социально-экономические перемены периода перестройки, имевшие место в России в конце 80-х и начала 90-х годов, оказались неблагоприятными и для развития мелиорации, которая в настоящее время столкнулась с рядом острейших проблем, связанных: с прогрессирующим сокращением орошаемых и осушаемых площадей; ухудшением их мелиоративного состояния из-за развития процессов деградации (подтопления, заболачивания, засоления, осолонце-вания, закустаривания); падением продуктивности мелиорированного гектара; заметным снижением технического уровня мелиоративных систем (МС) и высокой степенью изношенности мелиоративных сооружений. Все это происходит на фоне низкого финансирования отрасли.
В России к 2001 году произошло сокращение площади орошаемых земель на 1,5 млн. гектар (26%) по сравнению с 1991 годом и составило 4547, 5 тыс. гектар, из них почти 30% составляют орошаемые земли регионов Северного Кавказа и Поволжья. Из-за засушливых погодных условий, недостатка поливной воды, неисправности мелиоративной сети и дождевальной техники неполивная площадь увеличилась на 44% и составила 2014, 1 тыс. гектар, что привело к спаду валовых сборов сельскохозяйственной продукции почти в два раза. Кроме того, за последние 15 лет более чем в два раза произошло снижение парка дождевальных машин.
Результаты обследований эколого-мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель на территории России на 01.01.2005 год свидетельствуют о том, что почти 20% осушенных и 30% орошаемых земель находится в неудовлетворительном состоянии, и тенденция ухудшения будет сохраняться, если не будут приняты соответствующие меры по ее предотвращению и упреждению.
На современном этапе вопросы экологии и охраны природы ; ---.; сто-
ят особенно остро, в решении которых, как отмечал А.Н.Костяков, именно мелиорации, как составной части общего комплекса мероприятий по преобразованию природы, принадлежит решающее значение. Мелиорация была и остается основным стабилизирующим фактором; и действенным средством повышения плодородия и устойчивости почв, регулирования природных процессов, управления круговоротом воды и зольных веществ, интенсификации сельскохозяйственного производства, а также определяющим средством компенсирования многих негативных последствий.
Поэтому исследования по повышению экологической безопасности функционирования объектов природообустройства являются в настоящее время актуальными, позволяют снизить риск развития негативных процессов и улучшить экологическую ситуацию.
Цель и задачи исследований. Основной целью настоящей работы является теоретическое и- методологическое обоснование повышения экологической безопасности функционирования объектов природообустройства (мелиорированных земель).
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие научные задачи:
1. Дать оценку современного состояния природной среды, сформировавшегося под влиянием антропогенной деятельности, выявить региональные и
локальные закономерности влияния мелиоративной деятельности на различные компоненты природной среды.
-
Разработать теоретические положения повышения экологической безопасности функционирования объектов природообустройства, включающие новые подходы и систему критериев для оценки их функционирования.
-
Обосновать возможность использования ансамблевого прогнозирования природных процессов при антропогенных воздействиях и предложить систему наиболее совершенных математических (одномерных, профильных и пространственных многокомпонентных) моделей сопряжения - гидродинамических, гидрохимических и биотических - для выполнения прогнозирования природных процессов.
-
Провести экспериментальное обоснование структуры порового пространства для различных почв пород зоны аэрации и установить наиболее характерную модель среды.
-
Разработать основные принципы формирования регионального эколо-го-мелиоративного мониторинга и провести их реализацию на конкретных объектах.
-
Разработать методы оценки геоэкологических рисков возникновения негативных последствий антропогенной деятельности и суммарных экологических ущербов и применить их на объектах природообустройства.
-
Предложить структурную схему технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и провести ее реализацию.
Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются основные положения системного анализа с использованием методов математического моделирования, теории неравновесной термодинамики, теории управления сложными системами и теории вероятности. В основе научных исследований и решении поставленной проблемы лежат идеи и труды Л.С.Берга, В.И.Вернадского, В.В.Докучаева, А.Н.Костякова, А.В.Ковды, Б.Б.Полынова, И.Р.Пригожина, а также И.П.Айдарова, Г.К.Бондарика, А.И.Голованова, Б.С.Маслова, Н.М.Решеткиной, Л.В.Кирейчевой, Д.А.Манукьяна, Н.И.Парфеновой, Н.Ф.Реймерса и др.
Методика исследований заключалась в изучении энергетических подходов к оценке состояния природных систем, проведении экспериментальных исследований по оценке параметров природного объекта, выполнении прогнозных оценок природно-мелиоративных процессов гидролого-почвенно-гидрогеологического цикла, сценарных исследований, качественных и количественных оценок геоэкологических рисков и экологических ущербов.
Объект и предмет исследований. В качестве объекта исследований рассматривались различные объекты природообустройства: мелиоративные системы, агрогеосистемы, водосборные бассейны, ландшафты. Предметом исследований явились научные знания о природных и природио-антропогенных процессах, происходящих при функционировании объектов природообустройства.
Научная гипотеза. Для оценки функционирования мелиоративных систем может быть применен термодинамический подход, позволяющий оценить эффективность мелиоративных воздействий, более полно охарактеризовать состояние
природного объекта, а также выявить общие закономерности трансформации вещественных и энергетических потоков под влиянием антропогенных воздействий. Выбор варианта функционирования может быть обоснован прогнозными расчетами, сценарными исследованиями и оценкой геоэкологических рисков.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании и практической реализации методов совершенствования функционирования мелиоративных систем, включающем: проведение полевых и лабораторных экспериментов по оценке параметров природного объекта; разработку теоретических подходов в оценке энергетического состояния природной системы, концептуальной модели повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем; выбор, разработку и реализацию эколого-математических моделей прогнозирования, выполнение сценарных исследований и оценку обобщенных геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов при антропогенной деятельности на конкретном объекте; проверку адекватности предложенных алгоритмов, процедур и моделей.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
-
Термодинамический подход в теории функционирования мелиоративных систем, позволяющий на основе методов теории открытых систем и закономерностей энергетических превращений в геосистемах оценить эффективность мелиоративных воздействий. Особенность подхода заключается в учете тепломассообмена почвенного покрова с внешней средой и в представлении почв как открытых систем, в которых особенности протекания неравновесных процессов связаны с флуктуациями и точками бифуркации. Установлено, при антропогенных воздействиях происходит существенное изменение структуры термодинамического балансового уравнения, динамика составляющих которого позволяет выявить точки бифуркации в развитии геосистем.
-
Обобщенная концептуальная модель функционирования мелиоративных систем, отражающая взаимосвязь природной, технической, технологической подсистем и блока управления и позволяющая обосновать комплекс мероприятий по снижению негативных последствий антропогенной деятельности.
-
Методология, схема, структурная иерархия и порядок выполнения ансамблевых прогнозов сложных нелинейных природных процессов. В общей системе моделей прогнозирования выделена подсистема моделей процессов, носящих детерминированный характер, и подсистема моделей среды, особенностями которых являются факторы случайности и неопределенности. Основу методологии составляет интегрированная система эколого-математических моделей сопряжения, которые описывают разнородные природно-мелиоративные процессы, связаны между собой эмпирическими соотношениями и объединены общей управляющей программой.
-
Методика проведения экспериментальных исследований по обоснованию структуры порового пространства почв, пород зоны аэрации и зоны насыщения, основанная на использовании трассерных индикаторов и алюмосиликатных гелеобразующих растворов. Обобщение экспериментальных исследований автора и других исследователей позволило выделить модель порового пространства изотропного характера, гетерогенно-блоковую модель и модель макронеоднородности.
-
Комплексный подход к оценке обобщенных геоэкологических рисков возникновения негативных последствий при мелиоративной и водохозяйственной деятельности. Структура геоэкологического риска учитывает степень риска развития нежелательных природно-антропогенных процессов и суммарных экологических ущербов, покомпонентное количественное определение которых проведено на конкретном объекте гидротехнического строительства.
-
Структурная схема технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем, включающая процедуры проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований, оценку геоэкологических рисков и эколого-экономичсской эффективности природоохранных мероприятий.
Практическая значимость работы. Использование термодинамического метода оценки функционирования мелиоративных систем, позволяющего количественно определить антропогенную (энергетическую) нагрузку на природные объекты и прогнозную оценку развития мелиоративных систем (эволюция или деградация), позволит обеспечить своевременное проведение упреждающих природоохранных и агротехнологических мероприятий и, как следствие, повысить эффективность эксплуатации и проектирования мелиоративных систем.
Разработанные научно-методические рекомендации по оценке экологической безопасности функционирования объектов природообустройства были использованы при разработке природоохранных мероприятий для конкретных объектов (Северо-Чагринская оросительная система в Поволжье, Аштский массив орошения Таджикистана, Джизакский массив Узбекистана, объект ТБО «Щербинка», водосбор р.Медвенки Московской области, бассейн р.Колымы, агроландшаф-ты Смоленской области) и могут быть использованы при экологической экспертизе.
Выполнение предложенных прогнозных оценок природно-мелиоративных процессов по разработанным методикам позволит повысить уровень научного обоснования природоохранных технологий.
Предложенная методология проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований и количественная оценка обобщенных геоэкологических рисков позволят оценить эффективность функционирования мелиоративных систем и обеспечить их экологическую безопасность.
Ряд разработок автора были отмечены медалями ВВЦ (1999, 2001).
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных конгрессах, совещаниях и конференциях. Важнейшими из них являются: 1-й Всесоюзный съезд инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Международный семинар по проблеме комплексного использования поверхностных и подземных вод в рамках советско-индийского сотрудничества (Индия, г.Рурки, 1990); II и IV и VI Международные Конгрессы «ЭКВДТЭК» (Москва, 1996, 2000, 2004); 2-й Всероссийский съезд по охране природы (Саратов, 1999); 7, 8, 9 и 13-я Международные конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИЛУ, 1999, 2000, 2001, 2005); Ш-й съезд Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000); Юбилейная конференция «Современные проблемы мелиорации и пути их решения», (Москва, ВНИИГиМ, 1999); Международные научно-технические конфе-
ренции МГУП (Москва, 1998, 1999,2000,2001,2002,2003.2006); Международная научная конференция «Костяковские чтения» (Москва, ВНИИГиМ, 2002. 2004. 2006); Европейская международная региональная конференция «Проблемы предотвращения опустынивания земель» (Словения, 2002); 3-я Международная российско-иранская конференция «Сельское хозяйство и природные ресурсы», (Москва, МСХЛ, 2002); 19-й Международный Конгресс по ирригации и дренажу (Москва, 2004).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 62 печатных работах, в том числе 9 статей опубликовано в центральных реферируемых журналах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 389 наименований, изложена на 318 страницах машинописного текста, включая 62 рисунка и 40 таблиц.
Особенности антропогенных воздействий на экологическое состояние природной среды
Современное состояние окружающей природной среды, сформированное за последние 100 лет, не позволяет говорить о том, что в ближайшее время наступит эра ноосферы. При нынешнем уровне научно-технического и технологического обеспечения промышленности и сельского хозяйства в России, в условиях их стихийного и хаотического развития и при отсутствии четкого планирования в их размещении, гипотеза наступления сферы разума, о которой пишут и говорят многие ученые, представляется несколько утопической. Экстенсивный характер развития производства, большие объемы образования отходов и их сбросы в природную среду создают острые проблемы не только экономического характера, но и серьезные экологические кризисы, и угрозу экологических катастроф.
В настоящее время человечество находится на этапе развития цивилизации, когда глобальные и региональные изменения природных процессов широко затронули всю оболочку планещ - атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу в целом. Антропогенная деятельность, воздействуя на природную среду, приводит к глубокому преобразованию природных ландшафтов, вызывая их целенаправленную трансформацию.
Значительный вклад в развитие исследований по изучению ландшафтов, как основных природных объектов, внесли работы Л.С. Берга, В.В.Докучаева, Б.Б.Полынова, М.А.Глазовской, В.А.Николаева. Л.Г.Раменского, Н.А.Солнцева, В.Б.Сочавы, В.Н.Сукачева, И.С.Щукина, Ю.Одума, В.Уолкера, СЯнга и др.
Особое место в исследованиях по изучению воздействия антропогенной деятельности, в том числе и мелиоративной, на отдельные компоненты природной среды занимают исследования И.П.Айдарова, А.И.Голованова, Глазовской M.A., ЛВ.Кирейчевой, Д.А.Манукьяна, Н.И.Парфеновой, Э.П.Романовой, Н.М.Решеткиной и др.
На территории России, несмотря на снижение в последнее время объемов поступления в природную среду загрязняющих веществ из-за сокращения производства, сохраняются значительные масштабы негативных последствий антропогенной деятельности. Современные темпы развития индустрии обусловили достаточно высокий антропогенный пресс на природную среду (В.А.Черников, 2000). Такой путь развития может привести и уже приводит к существенным экологическим ущербам, наносимым природной среде, в том числе человеку. Опасность воздействия хозяйственной деятельности связана с потреблением невозобновимых сырьевых и энергетических ресурсов. В конце XX столетия обнаружена устойчивая тенденция к возрастанию такой опасности в геометрической прогрессии (Э.П.Романова, 1999).
Известно, что большую часть валового национального продукта составляют основные отрасли хозяйственной деятельности, и прежде всего промышленный сектор экономики, который непосредственно воздействует на окружающую природную среду и создает мощные очаги ее преобразования. Следствием развития основных отраслей является не только положительный народнохозяйственный эффект и выпуск определенной продукции, но и появления огромных объемов жидких, твердых, газообразных отходов, которые сбрасываются в природную среду - атмосферу, почвы, поверхностные и подземные воды, ухудшая среду обитания человека и нанося ей непоправимый ущерб.
На основании анализа литературных данных установлено, что уровни и масштабы воздействия хозяйственной деятельности (промышленности, топливно-энергетического комплекса, транспорта, агропромышленного сектора) стали чрезмерно высокими [229, 237]. В настоящее время мы находимся на таком этапе развития цивилизации, когда глобальные и региональные изменения широко затронули всю оболочку планеты - атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу, и приняли угрожающие масштабы. Очевидно, что невозможно полностью предотвратить антропогенное влияние на природную среду, даже в условиях совершенствования производства. Поэтому поступление загрязняющих веществ в различные биоценозы и компоненты природной среды становится практически неизбежным и часто в десятки и более, раз превосходят предельно-допустимые концентрации.
В настоящее время в России на единицу продукции государство тратит ресурсов в 3-8 раз больше, чем в развитых странах, нанося непоправимый экологический ущерб и нарушая социальную стабильность в обществе.
При антропогенной деятельности существенное изменение природной среды наблюдается при следующих видах (в порядке убывания интенсивности): промышленное производство - сельскохозяйственное производство - мелиорация и водное хозяйство - животноводство - автомобильный транспорт - коммунальное хозяйство - добыча сырья и под землей и карьерах [220].
В результате суммарных антропогенных воздействий на территории России состояние окружающей среды сложилось весьма неодинаково: на большей части ее территории (65%) сохраняются ненарушенные экосистемы, на 15%, где проживает основное население, сосредоточены основные производительные мощности и наиболее продуктивные сельскохозяйственные угодья, экологическое состояние природной среды по многим ее компонентам удовлетворяет установленным нормативам (рис. 1.1). При этом степень антропогенной трансформации природных экосистем в этих регионах составляет почти 70% (табл. 1.1).
Об антропогенной нагрузке можно судить по ее энергетическому эквиваленту, который выражен через соотношение энергии хозяйственной деятельности и энергии, аккумулированной в фитомассе современного растительного покрова (рис. 1.2), который также показывает его неравномерное распределение на территории России (от 0 до 37).
Воздействию антропогенной деятельности подвергаются все компоненты природных ландшафтов, однако степень ее влияния и характер воздействия различна. Наиболее чувствительным и наиболее динамичным компонентом природного ландшафта оказывается атмосфера, которая выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, а протекающие в ней процессы в значительной степени изменяются под влиянием действием антропогенной деятельности.
Основными загрязнителями атмосферы являются оксиды углерода (СО), диоксиды серы (SOi) и азота (NO2), углеводороды и взвешенные частицы, на долю которых приходится около 98% общего объема выбросов вредных веществ.
Динамика гумуса почв при антропогенных воздействиях
Для оценки изменения термодинамического, баланса следует также ис-пользовать интегральные показатели - биологическую продуктивность, плодородие почв и их показатели, на формирование которых влияют основные сре-дообразующие факторы каждой природно-климатической зоны.
Комплексные мелиорации должны обеспечивать не только восстановле-ние нарушенных энергетических и водных балансов, а также балансов органического вещества и химических элементов и требуемое регулирование биологического круговорота. Для их восстановления необходимо повышать продуктивность сельскохозяйственных угодий, осуществлять возврат органического вещества в почву и проводить внесение органических удобрений.
Говоря о балансе органического вещества и химических элементов в почве, следует отметить, что сельскохозяйственное освоение значительно снижает запасы органического вещества в почвах, а в условиях природных флуктуации наблюдается их интенсивный вынос. Расчеты показали, что при распашке практически для всех типов почв отмечается дефицит гумуса и наблюдается сработка запасов почвенного гумуса в среднем на 0,3 - 1,0 т/а в год, поэтому для его восстановления и сохранения экологических функций необходимо обязательное ежегодное внесение органических удобрений (Айдаров И.П., Голованов А.И.).
При проведении мелиорации и последующем использовании земель в сельскохозяйственном производстве необходимо рассчитывать динамику накопления (или сработку) запасов гумуса при распашке, орошении или осушении. В настоящее время для оценки изменения запасов гумуса можно использовать модель Голованова А.И., рассмотренная выше и которая приближенно описывается дифференциальным уравнением (2.34). В этой модели величина новообразованного гумуса может быть рассчитана по эквивалентному содержанию углерода
Коэффициент В в формуле (2.38) учитывает разложение (или минерализацию) гумуса Вит, а также его потери Вэр при эрозии: В = Вмт + Вэр, год"1. Скорость минерализации гумуса непосредственно зависит от содержания в почве гумуса, поэтому при постоянстве коэффициента В процесс разложения гумуса со временем замедляется. При этом скорость минерализации гумуса зависит от тепло- и влагообеспеченности территории, которая определяет интенсивность биохимических процессов. В зависимость величины В входит составляющая, характеризующая смыв и выдувание гумуса при водной и ветровой эрозии, поскольку количество смытого или вынесенного ветром гумуса зависит от массы удаленной почвы и от содержания гумуса в ней, однако определение коэффициента скорости минерализации Дшн является достаточно сложным расчетом.
Расчеты динамики гумуса проводились по предложенной А.И.Головановым зависимости (при начальном условии г = 0; G = Go): G = A/B + (G0 -A/B)Qxp(-Bt). (2.42)
На основании использованной модели была рассчитана динамика запасов гумуса для основных природных зон России и характерных для них типов почв в условиях сельскохозяйственного использования - распашки. Кроме этого были проведены расчеты по оценке величины сработки гумуса за первый год распашки. Результаты расчетов приведены в таблице 2.10.
Как показывают данные табл. 2.10, значения коэффициентов скорости минерализации гумуса Вмш для степной зоны составляют 0,015, а к северу и югу они уменьшаются, составляя 0,007 - 0,009. Это объясняется тем, что в гу-мидной зоне, где широко распространены дерново-подзолистые почвы и отмечается высокая промываемость почв из-за большого количества выпадающих атмосферных осадков. Данные подтвердили результаты Голованова А.И., полученные для этих зон. В полупустынной же зоне, коэффициент скорости минерализации небольшой по причине малого количества новообразованного гумуса в почве и небольшого количества выпадающих осадков в естественных условиях. Расчеты по оценке сработки запасов гумуса показали, что при распашке увеличивается доля отчуждения значительной части биомассы урожаем, которое, как правило, не компенсируется внесением органических удобрений.
Динамика гумуса при распашке в различных почвах - дерново-подзолистых, черноземах обыкновенных и бурых полупустынных - приведена нарис. 2.8-2.10.
Как видно из графиков, при распашке происходит сработка органического вещества и гумуса во всех типов почв в первый год распашки: от AG = -0,10 т/га в бурых полупустынных, AG = - 0,32 т/га в дерново-подзолистых почвах и AG = - 0,59 т/га в черноземах обыкновенных. Наиболее высокая сработка гумуса отмечается в черноземах обыкновенных.
Ликвидировать дефицит гумуса возможно только с внесением органических удобрений и проведением комплексных мелиорации, которые с точки зрения применения термодинамического подхода способны увеличить внутреннюю энергию почв за счет повышения содержания гумуса в почвах. В результате проведения комплексных мелиорации (осушение в гумидной зоне, дождевание в черноземных почвах и орошение в полупустынной зоне) наблюдается увеличение запасов гумуса: в дерново-подзолистых почвах AG = +0,48 т/га, в черноземах обыкновенных AG = +0,30 т/га и бурых полупустынных почвах AG =+0,28т/га.
Реализация многокомпонентной модели равновесной химической термодинамики
Адаптация модели равновесной химической термодинамики проводилась на объекте в пойме р. Пахры в зоне влияния полигона твердых бытовых отходов (ТБО) «Щербинка» Московской области.
Решалась одна из задач оценки засоления и загрязнения почв поймы отходами полигона (тяжелые металлы - цинк, свинец, медь, хром, никель и кобальт) и-возможности очистки почв оттяжелых металлов; Основная территория полигона расположена на Ш надпойменной террасе р. Пахры. Законсервированные бытовые и промышленные отходы полигона в настоящее время уже не эксплуатируются, но продолжают оставаться интенсивным очагом загрязнения поверхностных и подземных вод, почв, грунтов и донных отложений.
Негативное воздействие полигона проявилось в пойме реки, где эта тер- ритория используется под посевы сельскохозяйственных культур. Учитывая ; критическую ситуацию на рассматриваемой территории, необходимо решить проблему, связанную с возможностью очистки загрязненной территории и восстановления плодородия почвенного покрова пойменных отложений.
Для реализации программы мелиоративных мероприятий необходима разработка обоснованных рекомендаций по очистке загрязненных почв, основанных на результатах моделирования и лабораторных исследований. Ключевым вопросом является перевод загрязнителя из нерастворимых неподвижных форм в подвижные, которые можно удалить в процессе проведения мелиорации.
Решение поставленной задачи представляется возможным при проведении специальных исследований по изучению загрязнения почв, проведению лабораторных исследований миграции и трансформации загрязняющих веществ на монолитах, выполнению моделирования процессов очистки почв от загрязнений, определению форм содержания металлов в почве и т.д.
В литологическом отношении пойменные отложения р.Пахры представляют собой супесчано-суглинистые отложения (супеси, легкие и средние суглинки, пески) мощностью от 1 до 3 м, подстилаемые глинами (рис. 3.10).
Изучения пород верхней толщи зоны аэрации показал наличие засоления (Са2+, Mg2+, Na, SO/ , НС03 , CU) различной степени - от 0,05 до 0,4%, что свидетельствует о распространении в пойме отложений как незаселенных, так и средне- и сильнозасоленных. Эпюры засоления показывают, что наибольшая степень „засоления приурочена.к верхней части пород,„к интервалу.0-50 см Эпюры распределения тяжелых металлов свидетельствуют о максимальном скоплении их в верхнем почвенном слое и об уменьшении содержания с глубиной (рис. 3.11).
Основными элементами, по которым наблюдается превышение предельно-допустимых концентраций, являются цинк, свинец, хром, никель, ванадий и цирконий, содержание которых превышают ПДК для почв в 3-Ю раз (табл. 3.4).
Было установлено, что основным механизмом выноса загрязнений из тела свалки является вымывание токсикантов поверхностным стоком, почвенными и грунтовыми водами в пойменные отложения р.Пахры, территория которой используется под посевы сельскохозяйственных культур. По отдельным элементам в кукурузе в перерасчете на сухое вещество наблюдается превышение ПДК в 10-13 раз, что отрицательно сказывается на качестве сельскохозяйственной продукции (табл. 3.5).
Ввиду того, что пойменные земли используются для сельскохозяйственного назначения, оценка загрязнения почв выполнена нами по токсичным элементам, превышающим ПДК для почвы (Ni, Zn, Cr, Pb, V, Zr). При загрязнении почвы несколькими химическими элементами степень ее загрязнения (Zc) по формуле [ 63 ]:
В сложившихся критических условиях на рассматриваемой территории возникла острая необходимость проведения мероприятий по очистке поймы от загрязнений и восстановлению их плодородия. ,.
Для моделирования процессов кинетики и физико-химической гидродинамики при проведении промывки почв была использована модель равновесного химического состава (компьютерная программа Шварова Ю.В. «GIBBS»), основанная на принципе минимальности термодинамического потенциала и позволяющая рассчитывать равновесные составы с подвижными компонентами, которая позволила определить состав всех фаз системы и поведение компонентов при изменении внешних условий.
Валовый состав системы определен на основании анализов проб грунта, сделанных методом водной вытяжки и спектрометрии. Для исследования были приняты следующие вещества:
- макрокомпоненты, содержащиеся в породах и способные к удалению Со, Си, Мо, Щ РЪ, Cr, Zn;
- микрокомпоненты пород, не способные к удалению за счет высоких содержаний, но определяющие окислительно-восстановительные условия Fe, Мп;
- вещества, содержащиеся в речной воде и входящие в минералы, содержащие микрокомпоненты Са, Mg, Na, С, S, СІ, О, Н;
- органические вещества, играющие роль комплексообразователей Fu-анион фульвокислот (обозначен далее Fm), Ниш- анион гуминовых кислот (обозначен Н0).
Предполагалось, что двухвалентные и трехвалентные катионы микрокомпонентов содержатся в виде самостоятельных минералов или входят в идеальные твердые растворы, что для приближенных расчетов равнозначно. Процесс поглощения их породой относится к хемосорбиции, т.е. образованию примесей в минералах (твердых растворах). При моделировании использовались анализы речной воды и анализ породы из монолита (9/1 - из наиболее загрязненной части поймы) с глубины 65-85 см. Пористость пород была определена по отношению веса воды к весу высушенной породы (0,19) при объемной плотности сухой породы 1,78 г/см3, и равна 0,25.
Задача определения равновесного состава химической системы сводилась к следующему. Так как исследования проводились в зоне аэрации, система определялась как открытая к углекислому газу и кислороду. В процессе" модели 191 рования рассчитывались варианты, при которых были выбраны твердые гипотетические фазы (минералы).
Рост концентрации микрокомпонентов в растворе для ускорения промывки предполагалось вызывать увеличением ионной силы раствора или уменьшением величины рН, т.е. созданием кислой среды, для чего в раствор добавлялись хлорид кальция и соляная кислота.
Результаты моделирования показали, что добавление мелиорантов СаС12 и НО переводят в раствор Си, Ni, Pb, Sr, Со, Zn. Удовлетворительные резуль-таты по удалению тяжелых металлов из твердой фазы почвы в жидкую (до значений ПДК в почве) удалось получить добавлением в систему соляной кислоты концентрации 0,05 моль/л (табл. 3.6).
В процессе моделирования рассчитывались варианты, при которых были выбраны гипотетические твердые фазы (минералы). Рост концентрации микрокомпонентов в растворе для ускорения промывки предполагалось вызывать увеличением ионной силы раствора или уменьшением величины рН, т.е. созданием кислой среды, для чего в раствор добавляли CaCh, NaCl или НО.
Результаты моделирования были сопоставлены с результатами промывок монолитов, проведенных в лабораторных условиях (Яшин В.М.), которые подтвердили их хорошую сходимость и показали эффективность их проведения для очистки загрязненных почв от тяжелых металлов, и, прежде всего, для удаления подвижных форм цинка, свинца, меди и никеля.
Отбор монолитов осуществлялся в специальных шурфах в металлические кольца диаметром 14,5 см и высотой 20 см. Монолиты отбирались из трех горизонтов (0 - 40, 65-90 и 110-140 см) с различным литологическим строением.
Перед проведением опытов нижний торец зачищался под уровень нижней кромки цилиндра, а в верхней части цилиндра отбиралось некоторое количество грунта (высотой 2-3 см), поверхность выравнивалась, и на нее последовательно укладывался геотекстиль и песчано-гравийная смесь.
Реализация технологии на примере Аштского массива орошения
Практическая реализация технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем выполнялась автором на объекте Аштского массива орошения, где автор проводил многолетние полевые исследования в течение 1977 - 1979 гг. по анализу и оценки эффективного функционирования системы.
Изучаемый объект - Аштский массив орошения - расположен на территории Северного Таджикистана и освоение земель массива предусматривалось по проекту комплексного использования поверхностных и подземных вод. В республике 95% продукции и растениеводства (в основном - хлопок и люцерна) производится в условиях орошаемого земледелия, которое является, по существу, единственной возможностью развития сельского хозяйства.
Изучаемый объект расположен.в предгорной впадине и является типичным конусом выноса, выполненным, аллювиально-пролювиальными отложениями с характерной периферийной зоной. Аштский массив орошения расположен на территории Камышкурганской впадины, характеризуется сложными природными условиями и является типичной заадырной впадиной.
Климат отличается достаточно резкой континентальностью - большими суточными и сезонными амплитудами температуры воздуха (от +1...+4С в январе до 26...32С в июле), интенсивной солнечной радиацией, малой облачностью, небольшим количеством осадков, большой сухостью воздуха. Количество осадков, выпадающих в долинах, невелико и варьируется в широких пределах - от 100 до 350 мм, причем до 75% годовой нормы выпадает в период с ноября по март, в летний же сезон осадки практически отсутствуют. Высокие летние температуры, обеспечивающие значительную по величине сумму эффективных температур (2150...3400), практическое отсутствие осадков являются причиной низкой относительной влажности (25...35%) и высокого дефицита влажности воздуха.
Подземные воды четвертичного водоносного комплекса формируются главным образом за счет аккумуляции поверхностных вод предгорий, средне-многолетняя величина которой, по результатам водно-балансовых исследований, гидродинамических расчетов и моделирования, составляет 5,65 м3/с (табл. 6.1).
Для подземных вод четвертичного водоносного комплекса характерно закономерное изменение ионного состава от гидрокарбонатных пресных (0,2-0,4 г/л) вод в предгорьях конусов и зоне транзита к сульфатным и хлоридным водам с минерализацией до 30 г/л в зоне подпора.
Подземные воды четвертичных отложений Камышкурганской впадины вполне пригодны для орошения - отличаются хорошим качеством, низкой степенью минерализации (до 0,5 г/л) и гидрокарбонатным составом солей.
В периферийных частях впадины отмечено близкое залегание сильноминерализованных грунтовых вод (более 30 г/л) и высокая степень засоления пород зона аэрации (более 3%).
Почвенный покров Камышкурганской впадины отличается формированием хрящеватых сероземов с укороченным почвенным профилем и нередким скоплением гипса, которые в периферийной части сменяются на сероземно-луговые суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса (до 3%) и высокой засоленностью верхнего 10-и сантиметрового слоя (рис. 6.4).
На самом юге почвы переходят в тяжелосуглинистые солончаки с сульфатным и хлоридно-сульфатным составом с содержанием солей до 4%.
Освоение массива предусмотрено в две очереди по 13 тыс. гектар каждая (рис. 6.5). Согласно проекту линейный водозабор оросительно-дренажных скважин служит как в качестве источника подземных вод для орошения, так и для создания мелиоративного эффекта периферийной части впадины для промывки засоленных земель при выращивании хлопчатника.
Применительно к условиям работы оросительно-дренажных скважин автором выполнен долгосрочный прогноз динамики минерализации откачиваемых вод с использованием разработанной автором (совместно с В.С.Борисовым) двумерной модели переноса солей в насыщенно-ненасыщенной зоне, математическое решение которой подробно рассмотрено в главе 3.
Полученные результаты моделирования и прогнозные расчеты показали, что при существующем режиме функционирования мелиоративной системы происходит увеличение минерализации откачиваемых вод до 4,5 г/л на 7-й год
Результаты проведенного гидрохимического прогноза подземных вод при водоотборе показали, что при проектном режиме эксплуатации будет наблюдаться отбор оросительно-дренажных вод повышенной минерализации с сохранением ее стабилизация на уровне 4 г/л.
Дальнейшая эксплуатация объекта в существующих условиях приводила к росту негативных последствий и дальнейшему ухудшению экологического состояния, связанного с большими фильтрационными потерями, близким залеганием уровня грунтовых вод, изменения направленности водообмена с грунтовыми водами и деградацией (засоление) почв из-за полива водой плохого качества. Это заметно сказалось на ухудшении условий почвообразования и, как следствие, недобору сельскохозяйственной продукции в объеме 4,8 тысяч тонн ежегодно.
Для восстановления качества грунтовых вод и мелиоративного состояния орошаемых земель был предложен комплекс природоохранных мероприятий (табл. 6.3). Это по данным прогноза это снизит минерализацию воды в ороси-тельно-дренажных скважинах до 1,0 г/л, улучшит экологическую ситуацию и обеспечит получение плановой урожайности хлопчатника.
