Содержание к диссертации
Введение
1. Критический анализ состояния вопроса исследований в области оценки надежности ОС 8
1.1. Основные направления исследований, понятия и показатели
теории надежности 8
1.2. Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность открытой оросительной сети
1.3. Основные виды воздействия открытой оросительной сети на компоненты окружающей среды 16
1.4. Критерии оценки эксплуатационной надежности ОС 19
1.5. Существующие подходы к оценке экологической устойчивости ОС 22
Выводы 26
2. Природные условия района исследований и изучаемые объекты 28
2.1 Природно-климатические условия 28
2.2 Геоморфология, геология и підрогеологпя 31
2.3 Состояние почв сельскохозяйственных угодий 33
2.4 Объекты исследований 35
3. Программа и методика проведения исследований 37
3.1 Разработка программы исследований 37
3.2 Выбор методов исследований 38
3.3 Структурная схема проведения исследований 49
3.4 Описание принятой методики исследований..: 51
4. Результаты исследований по оценке надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов 58
4.1 Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов 58
4.2 Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической надежности открытой оросительной сети 66
4.3 Оценка эксплуатационной надежности н долговечности бетонных противофнльтрационных облицовок оросительных каналов 81
4.4 Особенности формирования ирригационной эрозии на водосборах Нижнего Дона 94
4.5 Оценка экологической надежности открытой оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов 104
4.6 Оценка экологической надежности открытой оросительной сети по условиям подъема уровня грунтовых вод и засоления почв 114
4.7 Экологическая оценка ландшафта орошаемых земель 119
Выводы 126
5. Статистические оценки надежности открытой оросительной сети 128
5.1 Статистическая оценка показателей интенсивности отказов открытой оросительной сети 128
5.2 Статистическая оценка показателей надежности облицовок оросительных каналов 139
5.3 Оценка проницаемости тонкостенных бетонных конструкций на открытой оросительной сети 144
5.4 Оптимизация интервала проведения ремонтных и восстановительных работ 148
5.5 Рекомендации по контролю технического и экологического состояния открытых оросительных сетей 155
Выводы 158
6. Экономическая оценка результатов исследований 160
Общие выводы 173
Предложения производству 175
Литература 176
Приложения 188
- Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность открытой оросительной сети
- Состояние почв сельскохозяйственных угодий
- Структурная схема проведения исследований
- Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической надежности открытой оросительной сети
Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивная эксплуатация открытой сети на оросительных системах без ее комплексной оценки надежности, преобладание экономических целей над экологическими, способствовала развитию деструктивных процессов на орошаемых землях Ростовской области. Произошел подъем уровня грунтовых вод на значительных площадях, подтопление и засоление земель. Только за последние годы было списано более 20 тыс. га орошаемых земель из-за потери надежности эксплуатации магистральных и распределительных каналов, прогрессирующей ирригационной эрозии, засоления и заболачивания. В процессе эксплуатации оросительной сети все ее элементы подвержены воздействию различных факторов. Влияние этих факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от расчетных значении, изменения за время эксплуатации уровня грунтовых вод, пропускной способности, высоты командования и т.д. Эти отклонения могут быть столь значительными, что дальнейшая эксплуатация всей оросительной системы становится экологически опасной. Техническое состояние и эксплуатация оросительных систем в Ростовской области оцениваются как критические [75, 89]. Построенные 25-30 лет назад водозаборы и каналы, обслуживающие сложное мелиоративное хозяйство, требуют реконструкции [75]. Существующие методы оценки надежности временной и постоянной открытой оросительной сети основаны на детерминистическом подходе к решению проблемы и практически не учитывают воздействие экологических факторов. Отсутствие комплексной оценки надежности открытой оросительной сети с учетом прогрессирующей деградации почв отрицательно влияет на обоснованность административных решений в сфере сельскохозяйственного производства.
Комплексная оценка необходима для решения наиболее остро стоящих перед эксплуатационниками задач: разработки рациональных методов профилактических работ, изучения влияния надежности на эффективность эксплуатации, определения требований к надежности с
технических и экологических позиций, разработки и обоснопапия единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности и т.д. Перечисленный круг задач свидетельствует о необходимости дальнейшего всестороннего изучения факторов влияющих на надежность функционирования открытой оросительной сети. Продолжение п развитие идей в области оптимизации комплексной оценки надежности определяют теоретическую и прикладную актуальность данной работы.
Цель работы - разработка комплексной системы оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка комплексной системы оценки надежности оросительной
сети с учетом показателей технического состояния, подъема уровня
грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса, ирригационной эрозии,
видового состава ландшафта;
- изучение факторов, влияющих на надежность временной открытой
оросительной сети;
- проведение статистической оценки надежности облицованных
и лотковых каналов оросительных систем на водосборах Нижнего Дона;
- оптимизация интервала проведения ремонтных и восстано
вительных работ для предупреждения снижения надежности;
- определение экономической оценки результатов исследований и
разработка рекомендаций производству.
Научная новизна заключается в следующем:
выявлены и обоснованы экологические факторы и критерии, влияющие на надежность оросительных сетей на водосборах Нижнего Дона;
разработана комплексная система оценки надежности оросительной сети с учетом экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитасмого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель;
- произведена оценка экологической надежности открытой
оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов, выноса
гумуса, подъема уровня грунтовых вод и засоления почв;
разработана усовершенствованная ярусная иерархическая модель надежности элементов открытой оросительной сети с учетом экологических факторов и методика моделирования;
получены экспериментально-статистические модели надежности функционирования открытых оросительных сетей для оптимизации решения рецептурно-технологических задач комплексной системы оценки надежности и проведения профилактических мероприятий;
предложены научно обоснованные усовершенствованные методы оценки временной открытой оросительной сети и способы повышения надежности противофильтрационных облицовок на каналах.
Объект исследований - открытая оросительная сеть Багаевско -Садковской и Нижнє - Донской оросительных систем Ростовской области.
Методы исследовании. Задачи, поставленные в диссертации, решались путем проведения комплексных полевых, лабораторных и теоретических исследований. В основу теоретических исследований легли: теория вероятностей, математическая статистика, теория оценки надежности гидромелиоративных систем и объектов, теория планирования эксперимента.
Обработка опытных данных велась статистическими методами с привлечением стандартных пакетов прикладных программ STATISTIC А, EXCEL и MATHCAD.
Достоверность полученных результатов обеспечена статистическими методами оценки эксперимента, вероятностной проверкой адекватности полученных математических моделей и сопоставимостью результатов теоретических и натурных исследований.
Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по применению предложенных способов комплексной
оценки надежности оросительных сетей, обеспечивающих возможности: применения рациональных методов профилактических работ, снижения затрат на ремонт и реконструкцию, обоснование единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности, сохранения посевных площадей, поддержания благоприятной экологической обстановки на орошаемых массивах расположенных в зоне действия открытой оросительной сети.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в проектную документацию ГУ «Южводпроект» (г. Ростов-на-Дону) в составе проектов реконструкции открытых оросительных сетей. Использованы ГУ «Ростовводмелиорация» (г. Ростов-на-Дону) в практике эксплуатации межхозяйственных и внутрихозяйственных оросительных систем орошаемых хозяйств Багаевского, Веселовского, Семикаракорского районов Ростовской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно - практической конференции ученых ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, 2003 г.), на научно -практических семинарах ФГНУ РосНИИПМ (Новочеркасск 2003-2005 г.г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах. Общий объем публикаций составляет 1,4 печ. л. из них лично соискателя 1,1 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 212 стр. машинописного текста, включает в себя 44 таблицы и 29 рисунков. Список используемой литературы включает 160 наименований.
Личный вклад автора заключается в обосновании цели и задач исследований, методике их проведения и формулировке научных положений и производственных рекомендаций по повышению эффективности оценки надежности оросительных систем, проверке результатов исследований.
1. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ОС
Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность открытой оросительной сети
Бесперебойная работа оросительных систем зависит от надежности сетевых сооружений, от их повседневной исправности. При анализе надёжности эксплуатации оросительных систем следует учитывать их поэтапное становление. Они в своем развитии проходят три этапа: проектирование; строительство; эксплуатацию. Высокий уровень проектной надёжности является важным фактором. Если на этапе проектирования неправильно выбран хотя бы один параметр конструкции, то в процессе эксплуатации произойдет серия отказов, а затем полный отказ объекта. К конструкционным факторам открытой оросительной сети относятся форма поперечного сечения, глубина, уклон, протяженность, трасса канала, материал ложа канала и защитных покрытий, высота командования и др.
В работах Ц.Е. Мирцхулавы [75-78], В.Н. Щедрина [140, 142], А.В. Колганова [52-56], Ю.М. Косиченко [58-61], Т.А. Алиева [8] и др. приводятся примеры нарушения надежности эксплуатации на открытых оросительных сетях, происшедших из-за отклонений от проекта, допущенных при строительстве сооружений, недоучета в проектах эффективности работы, несовершенства конструкций некоторых сооружений п другим причинам. В результате чего произошло разрушение крепления железобетонных плит, имели случаи разрушения гидротехнических сооружений. Во многих опубликованных работах [4, 34, 37, 38, 51-61] отмечается сложность эксплуатации лотковых сооружений на открытой оросительной сети вследствие засорения их мусором и осадочными деформациями грунтов основания стоек опор. Все это приводит к утечке воды через стыки, размыву грунтов и, в результате, к разрушению самого сооружения или его элемента.
Помимо рассмотренных причин, из-за конструктивных недостатков сооружений в их нижних бьефах создаются условия неудовлетворительного сопряжения, такие как: сбойность течения, донный режим сопряжения, повышенная кинетичность, концентрация удельных расходов, пульсация скоростей, давлений и др., что также приводит к различным разрушениям.
Надёжность на этапе строительства противофильтрационных конструкций достигается за счет точного выполнения проектных решений, выбора оптимальной технологической схемы производства работ и пооперационного контроля качества строительства.
Обеспечение надёжности конструкции на стадиях проектирования и строительства создает благоприятные условия для безотказности и в процессе эксплуатации. Поддержание высокого уровня надёжности является задачей этапа эксплуатации. Это осуществляется при соблюдении правил эксплуатации, своевременном техническом обслуживании и ремонте повреждений.
Одним из важных свойств, входящих в составное понятие надежности, является прочность. Нарушение прочности материалов гидротехнических конструкций и оснований влечёт за собой снижение эффективности дальнейшей эксплуатации. Оно может быть вызвано карстопо-суффозионными процессами, нарушением технологических операций, низким качеством строительных работ, отсутствием научных исследований по отдельным вопросам, связанным с внедрением новых конструкций, материалов или технологий и др. [139].
Несмотря на проведенные достаточно обширные исследования, такие вопросы как надежность материалов и конструкций при значительных деформациях оснований, воздействии тепловой энергии, динамической нагрузки, а также с учетом экологических факторов, связанные с предлагаемой проти вофнльтрацион ной защитой, в научных работах не обнаружены.
Надежность противооползневых, противоабразивных и противо-эрозионных мероприятий во многом зависит от методов прогнозирования геодинамических процессов. Одним из главенствующих факторов, влияющих на надёжность, являются физико-механические свойства строительных материалов. На продолжительность периода эффективной эксплуатации оросительных систем они оказывают различную роль. В облицовочных, сопрягающих и берегоукрепительных конструкциях они, как правило, представлены железобетоном, бетоном, камнем п другими строительными материалами с высокой прочностью. В противофильтрационных конструкциях в виду экранирования значительных площадей, применяют более дешевые материалы, которые обладают меньшей прочностью, соответственно, меньшей надёжностью в части их повреждаемости. В связи с этим одной из задач данной работы является оценка надёжности конструкций, использующихся на оросительных системах, при воздействии па них ряда отрицательных факторов.
Возможность образования различного рода деформаций и сосредоточенной усиленной фильтрации предопределяется главным образом следующими основными факторами: неблагоприятные инженерно 14 геологические условия (сложный рельеф по трассе сооружений; подверженность грунтов основания просадочньш и суффозионным явлениям; отсутствие протнвофильтрационных конструкций; некачественное выполнение строительных работ (недоуплотнение земляных сооружений, несоблюдение технологии строительства)). По причине деформаций грунтов и интенсивной локальной фильтрации могут возникать: вероятность прорыва дамб; резкое повышение уровней фунтовых вод. Все это может привести к подтоплению и затоплению прилегающих территорий населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий.
Состояние почв сельскохозяйственных угодий
Основные земледельческие угодья Нижнего Дона расположены на обыкновенных, южных черноземах и каштановых почвах. Черноземы занимают большую часть территории - 64,2%. Почвы каштанового типа -26,6%.
Континентальный климат позволяет интенсивно использовать земельные ресурсы для производства сельскохозяйственной продукции, в связи, с чем 57 % терррітории распахано и 27 % составляют сенокосные и пастбищные угодья.
Площадь древесно-кустарниковой растительности составляет 3,3 % от площади сельскохозяйственных угодий. Лесные земли и древесно-кустарниковая растительность частично сдерживают развитие негативных процессов (водной и ветровой эрозии) на землях сельскохозяйственного назначения. На территории Нижнего Дона практически не осталось земель, которые не испытали антропогенное воздействие, преимущественно негативного характера. Почвенный покров претерпел значительные изменения - сокращаются площади наиболее ценных почв, уменьшается уровень плодородия всего почвенного покрова. При этом на сельскохозяйственных угодьях наблюдается прогрессирующее распространение следующих негативных процессов: водная и ветровая эрозия, де гумификация, засоление, осолонцевание, переуплотнение, переувлажнение, опустынивание, подтопление
Отмечается также рост овражной эрозии и абразии берегов Таганрогского залива, Цимлянского, Веселовского и Пролетарского водохранилищ. Общая площадь эрозионно - опасных земель составляет 322,1 тыс. га, из них эродировано 269,1 тыс, га, в том числе сильно 52,7 тыс. га. Из общей площади дефляционно - опасных земель 61,0 тыс. га, дефлировано 112,7 тыс. га, в том числе сильно 27,1 тыс. га. На территории 33,4 тыс. га почв подвержены совместно водной и ветровой эрозии, в том числе пашни 25,6 тыс, га.
Площадь переувлажненных земель составляет 133,5 тыс. га, из них пойменных 107,9 тыс. га и вне пойменных 25,6 тыс. га. Засоленные земли, солонцеватые и с солонцовыми комплексами составляют 192,8 тыс. га. Подтопление и заболачивание сельскохозяйственных угодий носит прогрессирующий характер и по данным мониторинга переувлажненных земель, их площадь составляет 26,0 тыс. га, в том числе заболоченных 12,9 тыс. га; Для рационального и эффективного использования земли в области проведено природно - сельскохозяйственное районирование, представляющее собой научно - обоснованную систему деления земельного фонда на отдельные территории, характеризующиеся сходными природно-экономическими условиями. С учетом физико-географического положения, разнообразных почвенно-климатических условий, характера сельскохозяйственного производства и интенсивности его ведения в области выделено 6 природно-сельскохозяйственных зон.
Состояние почвенного плодородия в системе агрохимического мониторинга по природно-сельскохозяйственным зонам оценивается по общему содержанию гумуса, так как этот показатель наиболее тесно коррелирует с урожайностью сельскохозяйственных культур.
Для Центральной зоны (Багаевскнй, Веселовский, Семикаракорский, Мартыновский, Волгодонской, Пролетарский районы) характерен весьма разнообразный почвенных покров, представленный южными, обыкновенными луговыми черноземами, каштановыми почвами с разной степенью засоления и солонцеватости (приложение 1). Среднее содержание гумуса для зоны 3,0%. Другим показателем, который может дать представление об уровне плодородия почв и потенциальных возможностях в получении высоких урожаев, является обеспеченность почв основными формами питательных веществ: подвижный фосфор и обменный калий.
По данным агрохимической службы области обеспеченность почв подвижным фосфором, в основном, средняя - 22-29 мг/кг почвы, обменным калием повышенная - более 400 мг/кг, Более чем за 25-летний период наблюдений агрохимической службой установлено уменьшение запасов гумуса во всех почвенно-климатических зонах. Наиболее значительно снизилось его содержание в Центральной зоне - на 0,39%. Это связано с уменьшением гумусового горизонта в результате усиления развития эрозионных процессов, несоблюдением севооборотов, отсутствием или незначительным внесением минеральных и органических удобрений. Содержание обменного калия за этот период практически не изменилось. По содержанию подвижных фосфатов до 1995 года отмечен некоторый рост, связанный с большим объемом применения минеральных удобрений до 1991 года (1991-1995 — последействие). Произошедший в 1996 г. спад обусловлен недостаточным внесением органических и минеральных удобрений. В настоящее время доля продукции, получаемой за счет применения средств химизации, составляет 50 - 60 % от уровня 1989 г.
Объекты исследований открытая оросительная сеть Багаевско -Садковскон и Нижнє - Донской оросительных систем, расположенных на территориях Багаевского, Веселовского, Семикаракорского, Мартыновского и Волгодонского районов Ростовской области.
Багаевско - Садковская оросительная система расположена на территориях Багаевского, Веселовского и Семикаракорского районах Ростовской области. Специализация хозяйств имеет овоще-плодовое, овоще-молочное и зерново-животноводческое направления. Общая площадь орошаемых земель в системе - 58, 4 тыс. гектаров.
Вода в систему поступает самотеком из Багаевского и Садковского распределительных каналов. Длина первого 30,6 км, пропускная способность 34,5 м /с, второго соответственно — 10,6 км и 6, 9 м /с. Общая протяженность каналов оросительной сети - 2158 км. Полив культур осуществляется дождеванием, в основном ДДА-ЮОМЛ. Данная система построена в 1960 г. Из-за отсутствия дренажной сети, облицованных каналов и вертикальной планировки за время эксплуатации системы произошло ухудшение мелиоративной обстановки на площади 37,5 тыс. га. На площади 39,5 тыс. га необходимо реконструировать внутрихозяйственную сеть и на площади 26,0 тыс. га выполнить капитальную планировку.
Нижнє - Донская оросительная система расположена на территориях Волгодонского, Мартыновского и Семикаракорского районов Специализации хозяйств - виноградарство; плодоовощеводство; животноводство. Валовая площадь системы - 161,5 тыс. га. Проектная орошаемая площадь составляет (нетто) - 53 тыс. га. Орошаемые земли располагаются на пойменных террасах левого берега р. Дои и на пологих склонах Доно-Сальского водораздела. Оросительная система входит в комплекс первых оросительных сооружений. На общей поливной площади сады и виноградники занимают 30,6 %, кормовые - 30,0 %, зерновые - 29,0 %, овощи и бахчевые - 6 %, технические культуры 4,4 %. Водозабор в систему осуществляется самотеком из Донского магистрального канала через головной железобетонный шлюз-регулятор Длина Нижне-Донского канала 73,9 км, пропускная способность - 30 м /с. Площадь орошения в самотечной зоне 24 тыс. га, с механическим водоподъемом - 29 тыс. га.
Структурная схема проведения исследований
Для решения поставленных задач, в результате проведенного анализа состояния проблемы, базирующегося на изучении работ ведущих специалистов в области оценки и разработки эксплуатационной надежности оросительных систем [7-9, 35, 37, 52-59, 85-87] были разработаны рабочая гипотеза и блок-схема исследований.
Сущность рабочей гипотезы заключается в том, что за счет учета влияния основных факторов на экологическую устойчивость открытой оросительной сети, возможно, разработать комплексную систему оценок ее надежности. Методологической основой при разработке системы оценок надежности открытой оросительной сети (ОС) является комплекс методов позволяющий провести достоверный сбор информации и в последующем дать объективную оценку воздействий ОС на компоненты окружающей среды. Изучение показателей технического состояния открытой оросительной сети проводилось с помощью методик РосНИИПМ, НГМА, ВНИИГиМ, РАСХН, с учетом рекомендаций Ц.Е. Мирцхулавы [75-78], А.В. Колганова [52, 53, 56], В.Н. Щедрина [85, 140, 141], Ю.М. Косиченко [58-60], В. И. Ольгаренко [86, 87], И.А. Долгушева [31], А.Л. Цырульникова [121, 122], М.Ф. Натальчука [82]. Показатели засоления, эрозии почв и выноса гумуса из корнеобитаемого слоя определялись с учетом методик РосНИИПМ, НГМА, МГУ. При расчетах использовались методические разработки Е.В. Аринушкиной [12], Н.А, Каминского [48], Н.П. Калиничснко [42], Б.А. Доспехова [32], Ю.П. Полякова [96], Е.В. Полуэктова [94]. Режим уровня грунтовых вод на орошаемых площадях и характеристики инфильтрации воды из каналов оросительной сети определяли по методикам РосНИИПМ, НГМА, ВНИИГиМ и др. институтов. При проведении исследований учитывались рекомендации Г.Н. Каменского [43], А.В. Лебедева [66], П.А. Кисилева [51], С.Ф. Аверьянова [1], Ю.М. Косиченко [59]. Изучение преобразования естественного ландшафта орошаемых земель на антропогенный проводилось на основании рекомендаций Ц.Е. Мирцхулавы [78], Б.Б. Шумакова [138, 139], В.Н. Щедрина [141, 142], А.В. Колганова [53], И.П. Айдарова [4], Т.А. Алиева [8], С.Я. Бездниной [14], В.М. Ивонина [38, 39], В.Е. Приходько [99], В.А. Вронского [18]. Оценка состояния бетонных облицовок оросительных каналов основывалась на научных разработках В.М. Москвина [80], М.Л. Шалимова [135], Л.Т. Лисконова [68], Л.П. Кирилова [50], Е.Л. Антонова [10], Н.ГГ. Кашкарова [49], Ю.М. Косиченко [58], Ю.В. Чеховского [133, 134],
При разработке усовершенствованной ярусной иерархической модели использовались методические разработки В.Н. Щедрина [85, 141], А.В. Колганова [56], Ю.М. Косиченко [58, 61]. Планирование эксперимента проводилось в соответствии с рекомендациями И.Г. Зеднегидзе [36], В.В. Налимова [81], Ю.П. Адлера [2, 3], Fisher R.А. [150], И.А. Шишкина [137], Д.М. Хомякова [119]. Оценка эколого-э кон омической эффективности проводилась по методикам утвержденным РАСХН, РосИИИПМ и опиралась на рекомендации Л.В. Конторовича [44, 74], С. В. Плеханова [157], А.Б. Горстко [22]. Корреляционно - регрессионные обоснования характеристик экологических факторов осуществлялись при помощи общеизвестных программ Microsoft Excel, MatCAD и Statistica. На протяжении всех лет исследований метеоданные принимались по метеостанции г. Ростов — н / Д.
Экспериментальные наблюдения за инфильтрацией осадков, поливных вод и за испарением грунтовых вод выполняли при помощи лизиметров. Конструктивно используемые лизиметры представляли собой ящики из котельного железа с непроницаемыми для воды стенками и дном. На дно лизиметра слоем 20-30 см засыпался гравий, служащий обратным фильтром. Поверх этого слоя засыпался испытуемый грунт мощностью 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 м, соответствующий строению зоны аэрации в естественных условиях. Внутри лизиметра сооружались две скважины диаметром 5 см. одна из них, с фильтром, доводилась до слоя гравия, вторая заканчивалась в основании испытуемого грунта. Первая скважина являлась питательной, через нее по мере надобности при снижении уровня ниже заданного заливалась вода. Вторая скважина являлась наблюдательной. Повышение уровня воды в лизиметре между двумя сроками наблюдений соответствовало величине инфильтрации, которая определяется объемом прилившейся воды в лизиметр, которую выкачивали через питательную скважину, для достижения уровня до исходного значения.
Транспирация растительностью определялась методом среза растений и многократным взвешиванием их в течении 10-15 минут. Каждое взвешивание срезанных стеблей производилось в поле, на технических весах в течение 2 минут. В перерывах между взвешиваниями стебли раскладывали на проволочные стеллажи. Потеря в весе срезанных в различные часы суток растений позволила подсчитать суточный расход воды на транспирацию одним растением при условии, что средняя потеря в весе при испарении воды из среза в течении 10-15 минут соответствует транспирации растением на корню.
Внутрипочвенная конденсация водяных паров зоны аэрации определялась экспериментально путем регулярного взвешивания, изолированных от пленочно - капиллярной и гравитационной воды, кусков породы, которые в виде монолитов, обернутых парафиновой марлей, после очередного взвешивания помещались в нишах специально вырытого шурфа. Шурф в период между наблюдениями засыпался извлеченным грунтом, для сохранения естественного температурного режима. Величины притока и оттока грунтовых вод вычислялись по данным о коэффициенте фильтрации, мощности водоносных пород и уклонов зеркала воды, наблюдающихся на контурах балансового участка. Наблюдения за поверхностным стоком проводились путем определения расходов и колебаний горизонтов воды в каналах и оросителях обычными гидрометрическими методами Основные сведения о водоподаче, фильтрации воды из каналов собирались в эксплуатационных организациях оросительных систем. Для анализа существующего режима грунтовых вод использовали данные: - календарный график фактической водоподачи на орошение культур в м и орошаемой площади (по отдельным картам на опытном участке и по более крупным массивам, выделенным на основе районирования, в пределах конкретного хозяйства), а также сроков полива; - фактические оросительные и поливные нормы по отдельным культурам, применительно к местным условиям для каждого массива или района; - типовыми планами поливов разных культур для каждого района с указанием размеров площадей под эти культуры и их расположение в плане; - проектируемые оросительные и поливные нормы и данные по режиму поливов; - сведения о коэффициенте земельного использовании и размещения поливных и богарных земель.
Использование этих сведений было необходимо для определения относительных потерь поливной воды на инфильтрацию в почвогрунты и выделения этого количества из общего питания грунтовых вод за счет атмосферных осадков.
Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической надежности открытой оросительной сети
Расчет экологической надежности основных элементов участка открытой оросительной сети производился на основе натурных данных собранных на действующих системах. Для определения совместного выполнения всех условий работоспособности необходимо определить коэффициенты корреляции фактических значений и функций работоспособности открытой оросительной сети. Оросительная сеть состоит из многих элементов, соединенных между собой как последовательно, так и параллельно. Она относится к сложным системам, которые описывает полный факторный эксперимент. Низкий уровень экологической надежности хотя бы одного составного элемента оказывает определенное влияние на экологическую надежность всей сети. Следовательно, при оценке экологической надежности очень важно выявить степень влияния, которое оказывает надежность отдельных элементов на надежность всей сети в целом.
Для оценки экологической надежности применяем метод иерархических (структурных) схем, согласно которому система разбивается на элементы. На рисунке 9 приведена структурная схема надежности открытых оросительных сетей.
Для обеспечения работоспособного экологического состояния оросительной сети, необходимо добиться ее стабильного влияния, в пределах допустимых норм, на элементы окружающей среды. Стабильность работы сети зависит от многих факторов, которые возникают на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации.
В настоящее время основная сложность разработки системы экологической надежности функционирующей в зависимости от возникающих проблем и их обоснований состоит в почти полном отсутствии официально утвержденных норм по допустимому воздействию (допустимый уровень грунтовых вод; допустимая норма смыва почв при орошении и т.д.).
Однако убедиться в положительном влиянии ярусной иерархической модели экологической надежности на проблемную ситуацию можно будет лишь после завершения всех работ, связанных с разработкой и внедрением, а также получением конкретных результатов.
Поэтому, чтобы принять решение о начале разработке системы, необходимо предварительно оценить ее эффективность. В таких случаях говорят о предварительной, или расчетной, оценке эффективности экологической надежности системы.
Как правило, предварительная оценка полностью не совпадает с фактической, однако такое сравнение помогает в дальнейшем учитывать ошибки при расчетах н уменьшать расхождение между предварительной и фактической оценкой.
Вопрос выбора критерия эффективности по повышению экологической надежности оросительных систем, является в настоящее время одним из самых сложных и трудно решаемых, поэтому однозначного ответа на него получить невозможно. Тем не менее, можно дать следующие общие рекомендации.
Критерий эффективности должен, с одной стороны, отражать ожидаемое изменение проблемной ситуации в результате внедрения, а с другой - затраты на разработку, внедрение и функционирование. В качестве критерия эффективности может служить разность между ожидаемым и исходным (текущим) уровнем (или значением) критериального показателя надежности эксплуатации при одинаковых приведенных затратах на функционирование оросительной системы: /ГЭ = (Н -ЗД (4.9) где R - ожидаемый уровень экологической надежности эксплуатации системы; R0 - исходный уровень экологической надежности эксплуатации.
Главная особенность формирования данного критерия связана с выбором или разработкой критериального показателя, являющегося, по существу, интегральной характеристикой технического состояния оросительной сети в любой момент времени. Такой показатель может быть выбран из числа целевых (результирующих) или других хорошо известных показателей, рассмотренных в первой главе работы, а иногда его можно получить путем суммирования результирующих показателей с соответствующими весовыми коэффициентами.
В случае с весовыми коэффициентами, используем метод «свертки», позволяющим выразить несколько различных показателей одним и представить его в виде [114]: R = Cs-Ps,npu Cs =1 , (4-Ю) где Cs - значения весовых коэффициентов; Р$- частные показатели. Определение значений весовых коэффициентов Cs, отражающих относительную значимость частных показателей Ps, производится следующим образом. Все показатели Ps (s=l, 2 ... п) располагаются в ряд в предполагаемом порядке уменьшения их важности, затем производится попарное сравнение соседних показателей, и в результате сравнения с учетом нормировки решается вопрос об их относительной значимости. На основании такого дробления можно составить иерархическую структуру факторов влияющих на экологическую надежность, что позволит более эффективно использовать оросительные системы. С ним можно проводить такие же операции как с иерархической схемой факторов полного факторного эксперимента, в результате чего можно провести ранжирование факторов по степени важности. Это позволяет выделить в главной проблеме ключевые подпроблемы с тем, чтобы начать с них.
Данная проблема может быть тесно связана с другими проблемами, без решения которых ее вряд ли удастся решить. Например, чтобы уменьшить эрозионную опасность, предотвратить подъем уровня грунтовых вод, необходимо сначала решить другую проблему - проведение своевременных противоэрозионных мероприятий, текущих и капитальных ремонтов. Взаимовлияние причин снижения надежности облицованных каналов Багаевско-Садковской оросительной системы отразили посредством матрицы (таблица 9).
