Введение к работе
Актуальность проблемы. Как показал огромный практический опыт, мелиорация земель является эффективным средством интенсификации сельскохозяйственного производства. При этом в производственную сферу вовлекаются значительные по своим объемам земельные и водные ресурсы, в связи с чем существенным образом видоизменяется облик естественных ландшафтов, трансформируются водный, воздушный, тепловой и питательный режимы почв.
В Нечерноземной зоне Урала - регионе высокоразвитой индустрии и высочайших антропогенных нагрузок - имеется огромный мелиоративный фонд минеральных земель и болот, располагающих большим потенциальным плодородием и служащих источником насыщения рынка продовольствием.
Отсутствие научно обоснованных рекомендаций и предложений у проектных, строительных и эксплуатационных организаций, сложность регулирования водно-воздушного, теплового и питательного режимов, вызванная длительным сезонным промерзанием и поздним оттаиванием мелиорируемых почв, отсутствие региональной изученности водного баланса, режима формирования круговорота веществ в системе атмосфера-почва-растение-вода не позволяют надежно определять режимообразующие факторы переувлажненных почв.
Это обстоятельство вызывает необходимость постановки специальных лабораторно-полевых опытов и экспериментов по изучению водно-воздушного, теплового и питательного режимов мелиорируемых почв, особенностей его формирования в зависимости от конструкции систем, геологических, почвенных, гидрогеологических и климатических условий.
В последние годы все большее распространение получает представление о сельскохозяйственных мелорациях как об особом виде природопользования,, осознана необходимость учета экологических последствий мелиорации земель/равно как и необходимость руководствоваться экологическими принципами нормирования и подхода при обосновании объемов и видов мелиорации. Сказанное означает, что мелиоративные проблемы следует решать с учетом экологических особенностей естественных ландшафтов, динамики природных и антропогенных процессов.
Ориентируясь на принцип поддержания экологического равновесия окружающей природной среды необходимо иметь в виду следующее. Современная технически совершенная мелиоративная система "вторгается* в сбалансированную природную среду,
представленную широким аспектом почвенно-климатических, геологических и гидрогеологических условий с задачами активного управления водным, воздушным и пищевым режимами для получения запланированного урожая.
Функционирование таких мелиоративных систем сопровождается так называемыми техногенными выбросами, являющимися в той или иной степени источниками загрязнения окружающей среды. К таким выбросам относятся излишки дождевой и поливной воды, потерянные для агроценоэов и пошедшие на пополнение и подъем грунтовых вод, минеральные удобрения и ядохимикаты, проникшие в почву, грунты и фунтовые воды, а также собственно дренажные воды, аккумулирующие биогены, ядохимикаты и другие токсиканты и представляющие непосредственную угрозу водным объектам, водноэкологической обстановке в целом.
Ориентация на создание экологически безопасных мелиоративных систем предполагает максимально полный учет природно-климатических условий и практически полную нейтрализацию неблагоприятных свойств технических выбросов с мелиорируемых земель. Последнее означает необходимость доведения качества поверхностных и сбросных дренажных вод при сбросе в водоприемник до кондиций, гарантирующих отсутствие негативных явлений даже в отдаленной перспективе.
Цель и задачи исследований. Цель работы - исследование агрогидромелиоративных основ природообустройства длительно сезонномерзлотных почв и разработка способов расчета и экологически безопасного регулирования режимообразующих факторов на примере Нечерноземной зоны (НЧЗ) Урала.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
оценить комплекс природно-климатических условий НЧЗ Урала для осуществления агрогидромелиораций и на этой основе провести районирование и типизацию объектов мелиорации;
изучить закономерности формирования водного баланса и режима мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв на опытных объектах НЧЗ Урала;
оценить влияние различных способов мелиорации и конструкций мелиоративных систем на водный, воздушный, тепловой и питательный режимы длительно сезонномерзлотных почв и установить их экологически безопасные параметры;
разработать приемлемые в практике проектирования и эксплуатации методы расчета водного режима и прогноза уровней фунтовых вод для лет различной обеспеченности; провести районирование по нормам осушения длительно сезонномерзлотных почв при осушении их закрытым дренажем;
разработать принцип нормирования и программный комплекс для ПЭВМ выноса биогенов и других зафязнителей с сельскохозяйственных угодий;
дать эколого- и инженерно-экономическую оценку регулирования водного и питательного режимов мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв и комплекса водоохранных мероприятий отзафязнений с сельскохозяйственных и естественных угодий.
Методологические основы и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых и крупных специалистов по проблемам мелиорации, гидрологии, гидрогеологии и охраны окружающей среды, диалектические и физические законы сохранения вещества и энергии, фундаментальные труды по почвоведению, по теории вероятностей и математическому моделированию физических и физико-химических процессов.
В качестве общих методов исследований использовались системный комплексный подход, методы математической статистики, экономико-математического и физического моделирования, теории оптимальных решений и сравнительного анализа.
Предметом исследования являются природно-климатические, рельефные, геологические, гидрогеологические и почвеннс-литологические региональные условия с позиций осуществления экологически безопасных гидротехнических мелиорации, способы мелиорации и конструкции мелиоративных систем и их элементов, водный баланс и режим мелиорируемых длительно сезониомерзлотных почв, круговорот биогенных элементов, вынос загрязнений с сельскохозяйственных и естественных угодий.
Объекты исследования - мелиорированные различными способами, инженерными конструкциями и элементами болота и переувлажненные минеральные земли НЧЗ Урала, водосборы рек, сельскохозяйственные и естественные угодия.
Научная новизна. Впервые на примере НЧЗ Урала на основе анализа природно-климатических, геологических, гидрогеологических, почвенно-литологических и других условий проведены районирование и типизация объектов мелиорации.
На основе водного баланса установлена роль грунтовых вод в водном питании длительно сезониомерзлотных переувлажненных земель, даны их количественная характеристика и оптимальные параметры закрытой регулирующей сети и расчетные периоды действия.
Предлагаются расчетные схемы дренирования с учетом длительного существования мерзлоты.
Разработаны методики, зависимости для прогноза и расчета уровенного режима грунтовых вод как в период вегетации, так и в холодный период года, определения потока влаги в мерзлый слой, расхода фунтовых вод в зону аэрации.
Выполнено районирование НЧЗ Урала по уровням грунтовых вод и суммарному испарению за май-сентябрь в разные по увлажненности годы.
Рассчитаны зональные общее и коэффициенты расхода влаги на 1 С и 1 мб дефицита влажности воздуха.
Разработаны экологически оптимальные севообороты и схемы использования земель с учетом круговорота биогенных элементов в системе воздух - растение - почва - водный объект.
Разработана математическая модель и программный комплекс для ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий.
Дана эколого- и инженерно-экономическая оценка эффективности капитальных вложений в мелиорацию с учетом приемов использования мелиорированных земель, комплекса водоохранных мероприятий от загрязнений сельскохозяйственных и естественных угодий.
На защиту выносятся:
районирование и типизация объектов мелиорации на примере НЧЗ Урала;
количественная оценка роли фунтовых вод в водном питании мелиорируемых длительно сезониомерзлотных почв;
конструкции мелиоративных систем и их элементов, расчетные схемы дренирования почв и формулы расчета элементов водного баланса в условиях длительного существования мерзлоты;
агрогидромелиорагивные теоретические и экспериментальные основы прогноза и расчета водного баланса и режима длительно сезониомерзлотных почв, выноса зафязнений с сельскохозяйственных и естественных угодий.
Практическая значимость. Результаты исследований направлены на установление объективных потенциальных путей становления и развития гидротехнических мелиорации, совершенствование экологически безопасных способов, конструкций мелиоративных систем для длительно сезониомерзлотных почв, прогноза и расчетов водного баланса и режима
почв при проектировании, строительстве и эксплуатации мелиоративных систем в НЧЗ Урала. Производству рекомендованы конструкции мелиоративных систем и их элементы для торфяников и переувлажненных минеральных земель в зависимости от влагосодержания зоны аэрации, что позволяет количественно учитывать сложившийся водный баланс и режим и корректировать его для повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Разработанные модель и программный комплекс расчета выноса биогенов и других токсикантов с водосборов позволяют осуществить прогноз и расчет поступления загрязнений в водные объекты, предотвратить их поступление за счет реализации предлагаемого комплекса мероприятий. Полученные результаты позволяют эффективно использовать капитальные вложения, земельные и водные ресурсы.
Реализация результатов диссертационной работы. Исследования выполнялись с 1974 года в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов.
Результаты научно-исследовательских разработок по мелиорации земель включены в "Вопросы проектирования осушительных и осушительно-уапажнительных систем на Урале" (1977), 'Рекомендации по созданию и использованию сеяных лугов на осушенных землях Уральского региона Нечерноземной зоны РСФСР" (1979), "В|эеменные рекомендации по осушению болот Среднего Урала" (1982), "Систему мелиорации земель Свердловской области" (1985), "Руководство по улучшению естественных и созданию культурных сенокосов и пастбищ в Свердловской области" (1986) и др., которые применяются институтами системы "Гипроводхоз* Урала при проектировании мелиоративных систем. Проведено непосредственное внедрение в хозяйствах НЧЗ Урала через реализованные проекты на площади 3,3 шага с фактическим годовым экономическим эффектом 708,6 млн.руб в ценах 1995 г.
Модель и программный комплекс расчета на ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий использованы при разработке оптимальных планов водоохранных мероприятий в бассейнах рек Урала на период до 201 С1 г. (протокол комиссии от 19.02.1992 г.); ФЦП "Обь" в границах Свердловской области (1996) в соответствии с Постановлением Правительства РФ 1127/р от 17.07.1996 г., единой информационно-справочной системы "Состояние, использование и охрана водных ресурсов бассейна р.Тобол" для поддержки принятия управленческих решений в Уральском БВУ, Нижне-Обском БВУ, Свердловском территориальном комитете по водному хозяйству. На ее основе подготовлены обосновывающие материалы для бассейнового соглашения о совместной охране и рациональном использовании вод бассейна р.Тобол (протокол НТС рабочей группы Российско-Казахстанской комиссии от 8.04.1994 г.), "Программы мероприятий по оптимальному управлению водными ресурсами в пограничных створах территорий для бассейна р.Туры на период до 2010 г." (1993), бассейнового соглашения по р.Ик между Республиками Татарстан и Башкортостан (1994).
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональном совещании ВАСХНИЛ "Проблемы закрытого дренажа в Сибири и на Дальнем Востоке" (г.Тюмень, 1981), Проблемном совете по осушению, осушительным системам и проблемам мелиорации в Нечерноземной зоне РСФСР (г.Ленинград, 1983), Научно-технических советах УралНИИСХоза (г.Свердловск, 1981), Южуралгипроводхоза (г.Челябинск, 1976), Свердловскгипроводхоза (г.Свердловск, 1983,1984,1985,1986), Пермгипроводхоза (г.Пермь, 1986,1987), Удмуртского отделения Ленгипроводхоза (г.Ижевск, 1987,1988), Советско-Финлядском симпозиуме "Экологические аспекты агротехнических и мелиоративных мероприятий. Экономические аспекты взаимовыгодного сотрудничества" (г.Минск, 1990),
Всероссийской научно-технической конференции "Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод, мероприятиями на водосборе' (г.Свердловск, 1991), Всероссийской научно-практической конференции 'Управление водным хозяйством России" (г.Екатеринбург, 1992, 1993), Всероссийской научно-практической конференции "Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек" (г.Екатеринбург, 1994), научно-практической конференции "Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий" (г.Уфа, 1994), 2-ой Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (г.Казань, 1995), Российско-Германском семинарах РосНИИВХ - Эрланген-Нюрнбергский университет (г.Эрланген, ФРГ, 1993, 1995), Всероссийской конференции "Бассейн реки. Эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования' (г.Екатеринбург, 1996), Международном семинаре "К здоровой воде - совершенствуя управление" (г.Екатеринбург, 1996), научно-технической конференции "Водные ресурсы и устойчивое развитие экономики Беларуси" (г.Минск, 1996), Международной научно-практической конференции "Геоэкология в Урало-Каспийском регионе" (г.Уфа, 1996), 2-ом Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (г.Москва, 1996), 3-ей Международной выставке-семинаре "Чистая вода Урала - 96" (г.Екатеринбург, 1996), Межрегиональной научно-практической конференции "Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения" (г.Уфа, 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием" (г.Москва, 1997), Выставке и научно-технической конференции "Техноген-97* (г.Екатеринбург, 1997), других областных конференциях и совещаниях, а также на ВДНХ РФ путем экспонирования научных результатов работ (г.Москва, 1992, 1993), отмеченных серебряной и золотой медалями. По результатам исследований получено 4 авторских свидетельства, опубликовано 70 печатных работ, в том числе 10 монографий и брошюр.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в семи главах на 344 страницах машинописного текста, содержит 84 таблицы, 56 рисунков и 45 приложений. Список использованных источников включает 244 наименования. В приложении представлены сведения о внедрении и экономическом эффекте.
Автор выражает глубокую признательность коллективам отдела мелиорации земель и отдела защиты водных объектов от загрязнений с водосбора за большую помощь при выполнении настоящей работы.