Содержание к диссертации
Введение
І. Степень разработанности проблемы 10
1.1. Экологические последствия и перспективы развития орошения 10
1.2. Анализ направлений регулирования водно-солевого режима почв
1.2.1. Оценка качества воды для орошения в России 16
1.2.2. Оценка качества воды для полива за рубежом
1.3. Анализ степени и глубины изученности решаемой проблемы 22
1.4. Рабочая гипотеза и блок-схема проведения исследований 27
Выводы 29
2. Оценка хозяйственных и мелиоративных условий орошаемой зоны и методика исследований 30
2.1. Анализ водохозяйственной и мелиоративной обстановки 30
2.2. Характеристики перспективных технологий и материалов для очистки ДСВ от ионов тяжёлых металлов 3 8
2.3. Предварительный выбор перспективных составов комплексных сорбентов 49
Выводы 51
3. Теоретические исследования эффективности способов рационального использования дсв на оросительныхсистемах 53
3.1. Теоретическое моделирование эффективности использования ДСВ... 53
3.2. Результаты моделирования оценки эффективности использования ДСВ на Багаевской ОС 66
Выводы 80
4. Экспериментальные исследования по усовершенство ванию способа и технического обеспечения очистки дсв для повторного водопользования 81
4.1. Конструкция инженерно-мелиоративной системы с узлом предварительной водоочистки з
4.2. Результаты исследований по оптимизации фильтрующей загрузки 90
4.2.1. Характеристики исходного материала 90
4.2.2. Модификация сорбирующего состава 96
4.2.3. Выбор параметра оптимизации, факторов, уровней варьирования, плана эксперимента и результаты исследований .. 99
4.3. Способ и конструкция узла очистки ДСВ 112
Выводы 121
5. Эффективность результатов исследований 123
5.1 .Определение энергетической эффективности 123
5.2. Экономическая эффективность использования ДСВ 127
Выводы 134
Общие выводы 135
Предложения производству 137
Литература
- Оценка качества воды для полива за рубежом
- Характеристики перспективных технологий и материалов для очистки ДСВ от ионов тяжёлых металлов
- Результаты моделирования оценки эффективности использования ДСВ на Багаевской ОС
- Выбор параметра оптимизации, факторов, уровней варьирования, плана эксперимента и результаты исследований
Введение к работе
Актуальность исследования. Наряду с достаточно большими объёмами потребления воды для полива сельскохозяйственных культур, значительная её часть (30-40%), вследствие несовершенства оросительных систем, расходуется непроизводительно и, как правило, без пользы сбрасывается в поверхностные водоёмы и водотоки. На современном этапе развития гидромелиорации в Ростовской области вопрос повторного использования дренажно-сбросных вод (ДСВ) в орошаемом земледелии приобрёл особую актуальность, что вызвано достаточно слабой освещенностью в научной литературе этой проблемы.
Степень разработанности проблемы. Вопросами оптимизации водопользования и водораспределения на оросительных системах занимались крупные учёные: С. Я. Безднина, В. А. Васильченко, А. В. Колганов, М. Ф. Наталь-чук, В. И. Ольгаренко, И. В. Ольгаренко, В. Н. Рыбкин, Г. А. Сенчуков,
A. В. Капустян, С. И. Харченко, И. А. Шаров, Б. А. Шумаков, Б. Б. Шумаков,
B. Н. Щедрин, D. Bsoer, Е. V. Maas, F. Hilgard, Richards и др.
В работах этих учёных отмечается, что одним из путей решения проблемы дефицита водных ресурсов является использование деминерализованных и предварительно очищенных ДСВ для орошения сельскохозяйственных культур. Однако исследования по повторному использованию деминерализованных и очищенных ДСВ для условий оросительных систем юга Ростовской области в последние десятилетия не проводились, а существующие наработки по очистке ДСВ от загрязнителей не предусматривали использование материалов из вновь открытых месторождений природных сорбентов.
Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой «Усовершенствовать комплексы и технологии восстановления и эффективного использования мелиоративных, водохозяйственных и лесохозяй-ственных систем для сохранения и воспроизводства плодородия почв мелиорированных сельскохозяйственных земель и агроландшафтов», обеспечивающей развитие АПК РФ на 2006-2010 гг., поз. Ш.04.02.
Цель исследований - разработка способа и технического обеспечения очистки дренажно-сбросных вод, для их повторного использования на оросительных системах с целью рационализации водопользования.
Задачи исследований:
осуществить анализ существующих и используемых в отечественной и зарубежной практике способов очистки ДСВ для их повторного использования на оросительных системах;
определить количественные и качественные показатели ДСВ на территории Багаевской оросительной системы;
разработать и обосновать эффективность способа очистки ДСВ от ионов железа и тяжёлых металлов (медь, цинк) при использовании в качестве фильтрующего состава глауконитового песка;
предложить технические решения для реализации способа очистки и деминерализации ДСВ, позволяющие использовать их для орошения сельскохозяйственных культур;
- определить экономическую эффективность способа и технического
обеспечения очистки ДСВ для орошения сельскохозяйственных культур на Ба
гаевской оросительной системе.
Предмет и объект исследований. Объект исследований - дренажно-сбросные воды Багаевской оросительной системы Ростовской области. Предмет исследований - способ и техническое обеспечение очистки ДСВ для их повторного использования на оросительных системах Нижнего Дона.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Методологической основой послужили: системный подход в изучении методов и способов оценки количества и пригодности для орошения, формирующихся на территории оросительных систем, объёмов ДСВ; методы системного анализа и эмпирического обобщения. Теоретической базой исследований являются теоретические работы отечественных (ГНУ «ВНИИГиМ», ФГНУ «Рос-НИИПМ», ФГОУ ВПО «НГМА») и зарубежных авторов, комплексные теоретические и натурные исследования повторного использования ДСВ для орошения, способов их очистки и деминерализации, анализ и обобщение полученных результатов. Эмпирическую базу исследований составили результаты лабораторных исследований, которые выполнялись в соответствии с действующими нормативными документами и стандартными методиками, приборами и оборудованием. Обработка результатов исследований проводилась с использованием теории планирования эксперимента и математической статистики.
Научные результаты, выносимые на защиту:
количественные и качественные показатели ДСВ, формирующихся на территории Багаевской оросительной системы;
способ очистки ДСВ от ионов железа и тяжёлых металлов (медь, цинк) при использовании в качестве фильтрующего состава глауконитового песка;
графо-аналитические зависимости эффективности очистки ДСВ от ионов железа и тяжёлых металлов (медь, цинк) новым трехфракционным составом фильтрующей загрузки;
- прогнозные математические зависимости для выбора оптимальной
площади орошения ДСВ.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации: постановка цели и задач исследований; обоснование направления исследований; разработка блок-схемы проведения исследований; выбор методик; закладка и проведение полевых и лабораторных опытов; анализ и обобщение результатов исследований; установление математических зависимостей; разработка способа и технического обеспечения модификации глауконитового песка для очистки ДСВ; прогнозные модели для выбора оптимальной площади орошения этими водами; экономическая оценка; подготовка диссертации, выводов и предложений производству; апробирование и внедрение результатов исследований.
Научная новизна результатов исследования заключается в том, что впервые:
предложены четыре основных варианта расчёта: при использовании ДСВ без разбавления, с последующим разбавлением, при оборотном использовании, и в случае использования ДСВ с подачей из коллекторов в оросительные каналы Багаевской оросительной системы;
определён фракционный состав фильтрующей загрузки для очистки ДСВ от ионов железа и тяжёлых металлов, а также способ его модификации для повышения сорбирующей способности;
- технические решения узла водоочистки в составе инженерно-
мелиоративной системы для реализации способа очистки и деминерализации
ДСВ, позволяющие повторно использовать эти воды для орошения сельскохо
зяйственных культур.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретический вклад работы в развитие мелиоративной науки заключается в установлении зависимостей для обоснования целесообразности организации повторного использования ДСВ на существующих, реконструируемых и строящихся внутрихозяйственных оросительных системах; определении количественных показателей по использованию объёмов ДСВ по предложенным вариантам расчёта.
Практическая ценность заключается в разработке рекомендаций по использованию предложенного способа и усовершенствованного технического обеспечения очистки ДСВ, подбору размеров орошаемых площадей, оросительных норм и снижению себестоимости сельскохозяйственной продукции при повторном их использовании. Годовой экономический эффект от использования предлагаемых разработок составляет 2369,98 руб./га.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует формуле научной специальности 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», а именно, пункту 28 - «Оптимизация водопользования и водораспределения на оросительных системах».
Достоверность результатов исследований подтверждается большим объёмом экспериментальных данных, полученных в результате лабораторного и полевого опытов; достаточных объёмов расчётных данных; высокой достоверностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, отражающих способ и техническое обеспечение очистки ДСВ и их повторное использование для орошения сельскохозяйственных культур, положительными результатами опытно-производственной проверки.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях и семинарах ФГНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск, 2006-2007, 2009-2010 гг.), ФГНУ ІГНТИ «Мелиоводинформ» (г. Москва, 2008 г.), Мещерский филиал ГНУ «ВНИИГиМ» Россельхозакадемии (г. Рязань, 2008 г.).
Результаты исследований использованы в проектно-эксплуатационной практике ФГУ «Управление «Ростовмелиоводхоз», ГУПИ «Южводпроект», а также при разработке проектов мелиорации земель. Способ и техническое обеспечение очистки дренажно-сбросных вод, повторно используемых для
орошения сельскохозяйственных культур, апробированы на Багаевской оросительной системе Ростовской области с годовым экономическим эффектом 1066,5 тыс. руб. на весь объём внедрения. Материалы научных исследований были использованы при подготовке справочно-информационного фонда по мелиорации (г. Москва, 2006-2010 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 научных работах, в том числе 1 научная статья - в рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ издании. Общий объём научных работ составляет 2,21 п.л. (авторских - 1,97 п.л.).
Структура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 20 таблиц, 5 приложений. Список литературы включает 165 наименований, в том числе 10 публикаций зарубежных авторов. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству.
Оценка качества воды для полива за рубежом
Исследованию проблем регулирования водно-солевого режима почв, оценке качества оросительных вод, определения солеустойчивости сельскохозяйственных культур и деминерализации ДСВ посвящены работы известных учёных: В. В. Докучаева [40], И. Н. Антипов-Каратаев [7, 8], А. П. Бирюковой [18], С. Я. Бездниной [14, 17], В. А. Васильченко [24], В. А. Ковда [62, 64], Д. М. Кац [57], В. И. Ольгаренко, Г. В. Ольгаренко [99], Н. М. Ре-шеткиной [ПО], Г. А. Сенчукова [115], С. И. Харченко [132], Б. А. Шумакова [139], Б. Б. Шумакова [143], Н. П. Чижикова [135], В. Н. Щедрина [148], О. Е. Ясониди [154], D. Bsoer, Е. V. Maas, F. Hilgard, Richards и др.
Известно, что водно-солевой режим почв представляет собой сложное, многофакторное явление, связанное с комплексом физических, химических и биологических процессов: диффузии, конвекции, сорбции, кристаллизации, растворения, испарения [7, 64].
Для качественного описания водно-солевого режима почв С. Я. Безд-нина предлагает рассматривать систему: грунтовые воды - почвы зоны аэрации - растение атмосфера. На орошаемых землях, где при известных условиях возможно вторичное засоление, важную роль в процессах почвообразования играют грунтовые воды [37], которые двигаясь к базису стока, обогащаются солями за счет выщелачивания продуктов выветривания минеральных пород и обменных реакций. По мере расходования влаги на суммарное водо-потребление, концентрация солей в капиллярной кайме возрастает. Увеличение концентрации солей имеет свой предел, обусловленный .двумя причинами: во-первых, она уменьшается за счет фильтрации поливных вод, увеличивая их минерализацию по вертикальному профилю и по потоку грунтовых вод; во-вторых, в почвенном растворе концентрация может не возрастать при достаточной интенсивности испарения в виду кристаллизации.
Важным моментом в процессе адсорбции почвенных растворов является температурный режим почвы. Повышение температуры почвы с приближением к поверхности сильно уменьшает концентрацию насыщения углекислых солей, которые могут выпадать в осадок, еще не достигнув капиллярной каймы. При большой их концентрации в грунтовых водах эти соли могут кристаллизоваться в самом водоносном горизонте, образуя плотные слои. Такие горизонты могут формироваться и в капиллярной кайме, что ухудшает экологическое состояние орошаемых земель. Продолжительное испарение подобного раствора приводит к насыщению его гипсом, который при восходящих капиллярных токах выпадает выше карбонатов [64].
Отечественными и зарубежными исследователями установлена зависимость физических и химических свойств почв от состава ионно-солевого комплекса. Основными являются условия, при которых изменения ионно-солевого комплекса, а также физических и химических свойств почв под влиянием оросительной воды не оказывают отрицательного действия на плодородие почв, урожайность и качество сельскохозяйственных культур. С. Я. Безднина отмечает, что развитие сельскохозяйственных растений зависит от концентрации почвенного раствора и его осмотического давления, варьирующего в пределах от 1-2 атм. в незаселенных почвах, до 300-400 атм. в солончаках [29]. На его формирование влияют влажность, температура почвы, состав почвенно-поглощающего комплекса (ППК), находящегося в равновесии с почвенным раствором.
В России в основе оценки качества оросительной воды лежат, исследования В. В. Докучаева по её влиянию на черноземы [41].
Костяков А. Н. [70], оценивая качество оросительной воды по общему содержанию солей, выделил четыре группы: хорошая — растворимых солей не более 400 мг/дм ; от 400 до 1000»мг/дм растворимых солей - требует осторожного подхода с учётом всего комплекса условий её использования; от 1000 до 3000 мг/дм? растворимых солей — опасна для растений; более 4000 мг/дм растворимых солей засоляет почву.
Для оценки опасности развития процессов осолонцевания почв. И.Н. Антипов-Каратаев [7] предложил уравнение, согласно которому, определив концентрацию солей в воде (С), можно рассчитать соотношение катионов, при котором количество поглощенного натрия достигает 10 % от емкости обмена почвы. Если отношение [Са2+ + Mg2+ \/[Na+j10 0,23С, то такая вода может вызвать осолонцевание почв.
Проводя классификацию оросительной воды, И. П. Айдаров [Г] учитывает минерализацию, натриевое адсорбционное отношение (SAR) оросительной воды, состав и свойства почв (величину емкости поглощениям содержание частиц диаметром менее 0,01 мм), автоморфные и гидроморфные условия с различной интенсивностью промывного режима.
Многие отечественные учёные оценивают качество оросительной воды по степени опасности засоления почв с помощью ирригационного коэффициента Стеблера, представляющего столб воды в дюймах, при испарении которого остается количество солей, делающее слой почвы мощностью 1,2 м непригодным для возделывания большинства сельскохозяйственных культур, [18]. При выводе формулы Стеблер принял относительную вредность солей натрия за Na2C03 - 10, NaCl - 5, Na2S04 - 1.
В целом качество оросительной воды оценивается в соответствии с агрономическими (плодородие, урожайность и качество сельскохозяйственной продукции, предупреждение процессов засоления и осолонцевания и др.), техническими (содержание микроэлементов, рН, и др.), экологическими критериями. Вода, забираемая для орошения сельскохозяйственных культур должна удовлетворять требованиям ГОСТ 17.4.1.02-83, СНиП 42-123-4089-86 [123]. Сбрасываемая из оросительных систем вода, согласно ГОСТ 17.1.3.13 18 86, не должна оказывать неблагоприятного воздействия на водоприемники (водоемы, водотоки, подземные воды).
Поливы минерализованной, водой, оказывают отрицательное воздействие на почву. В корнеобитаемом слое накапливаются вредные для растений соли, ухудшаются водно-физические свойства почв. Поэтому при пригодности воды для орошения используют показатели: сумму растворённх солей (сумму катионов, мгэкв/дм ) и содержание катионов натрия и магния-(% от суммы всех катионов). По опасности осолонцевания (рис. П. 1) и засоления почвы воду подразделяют на четыре класса. Воду I класса можно использовать для полива всех культур. Её длительное применение не ухудшает физических свойств почвы, урожайность не снижается по сравнению с орошением пресными водами. Вода II класса слабо осолонцовывает почву, при длительном её применении содержание поглощенного натрия может доходить до 10 % емкости катионного обмена, урожай снижается на 5-20 %. Вода III класса вызывает осолонцевание почвы, урожай снижается на 20-50 % по сравнению с орошением пресной питьевой водой. При необходимости её использования следует применять химические мелиоранты или мелиоративную вспашку. Вода IV класса вызывает засоление почв, поэтому может ограниченно использоваться для орошения только после разбавления её пресной водой до 20-30 мгэкв/дм .
Возможность применения вышеперечисленных классов вод для орошения обусловливается типом почвы: на почвах с плохими водно-физическими и агрофизическими свойствами (плотные, слабоводопроницаемые) допуска-ется орошение водой с минерализацией до 50 мгэкв/дм , на оструктуренных почвах с хорошими водно-физическими свойствами — водой с содержанием солей 50-85 мгэкв/дм . При неглубоком залегании карбонатного и гипсового горизонтов (0,5-0,6 м) допускается использовать воду II и III классов, с обязательной плантажной вспашкой через 7-10 лет.
Характеристики перспективных технологий и материалов для очистки ДСВ от ионов тяжёлых металлов
Как отмечают А. И. Голованов, В. В. Шабанов и Ю. И. Сухарев в своей работе - «Комплексное обустройство (мелиорация) водосборов» [96] - поступившие в дренажный сток биогены, ядохимикаты, тяжёлые металлы, входящие в состав минеральных удобрений, можно частично перехватить, повторно используя дренажные воды для орошения, то есть, применяя водо-оборотные системы по аналогии с водооборотом на промышленных предприятиях. Оставшаяся часть загрязнений должна извлекаться из дренажных вод специальными мероприятиями и сооружениями использующие фильтры-сорбенты в виде сменных пакетов, заполненных сорбентами для извлечения пестицидов и тяжёлых металлов.
В качестве местных материалов в природных и организационно-хозяйственных условиях Ростовской области, по мнению таких учёных как С. Я. Безднина [14, 169], Л. В. Кирейчева [59], Н. С. Скуратов [118], Ю. С. Исаев [49-50], В. А. Васильченко [25], А. С. Капустян [56] и др. для устройства фильтров очистки и деминерализации ДСВ возможно использовать глауконитовые пески, известняк-ракушечник, щебень и керамзит различных фракций.
Большой интерес для юга Ростовской области представляют глауконитовые пески и бентонитовые глины широко распространенные на данной территории [51-53, 56, 87, 95, 155].
К группе глауконитов относятся низкотемпературные слоистые водные алюмосиликаты железа, магния, калия. В Ростовской области глауконитовые породы распространены вдоль северной окраины Восточного Донбасса, выявлены месторождения по рекам Тузлов, Большой Несветай, Аюта, на левобережье р. Северский Донец, в бассейне реки Чир (в Куйбышевском, Родионово-Несветайском, Октябрьском, Усть-Донецком, Константиновском, Боковском, Обливском, Шолоховском, Верхне-Донском и др. районах) [154]. Они представлены большей частью глауконитовыми песками и рыхлыми песчаниками, легко поддающимися обогащению. Мощность глауконитовых пород колеблется от 3-5 до 10-15 м, содержание глауконитовых зерен в песке колеблется в пределах 20-80 %.
Изученные отечественными и зарубежными исследователями сорбци-онные свойства глауконитов и бентонитов позволяют заключить, что глаукониты можно применять в естественном виде, а бентонитовые глины только после специальной промышленной обработки.
В ФГНУ «РосНИИПМ» исследования сорбционной способности различных природных материалов подтвердили их хорошие поглощающие свойства [105-106, 108]. Проведённые исследования показывают, что глауко-нитовые пески являются перспективным материалом для очистки.ДСВ от солей металлов методом фильтрации и сорбции. Однако многие вопросы требуют детальных исследований по установлению закономерностей очистки воды от металлов, изучению доз и фильтрующих свойств глауконита и.т.д. Это объясняется и тем, что до недавнего времени (2005 г.) было разведано только одно месторождение - Копорское в Ленинградской области [40]. Выводы:
1. Конструктивные особенности оросительных систем, уровень их технического состояния, эксплуатации межхозяйственной и внутрихозяйственной части обусловил наличие дренажно-сбросных вод (ДСВ). Причём в отдельные годы их объёмы достигали 35-40 % от использованных на орошение.
2. На территории Багаевской ОС обслуживаемой филиалом Багаевско-го управления ОС фактическая оросительная норма нетто была ниже расчётных значений на 300-800 м3, что равноценно 1-2 дополнительным поливам и только к 2007 году ситуация несколько улучшилась. В тоже время вынужденный сброс составил величину в интервале 6,5 - 7,0 млн. м3 в год.
3. Минерализация грунтовых вод более 3 г/дм характерна для площади 199,4 тыс. га (70 %). Большая часть площади 217,0 тыс. га (76 %) оро-шалась водой с минерализацией менее 1 г/дм и только 44,4 тыс. га (16 %) орошались водой повышенной минерализации (более 2 г/дм3).
4. Проведённый анализ свидетельствует о том, что фрагментация оросительных систем по виду собственности, которая практически исключила возможность создания единых комплексов управления процессами водопользования. Самое неблагоприятное положение в этом плане на орошаемых землях Багаевского управления оросительной системой.
5. Для решения проблемы рационального использования водных ресурсов при орошении, целесообразно провести теоретическое моделирование и проанализировать возможность эффективности использования ДСВ при орошении дополнительных площадей и экономии оросительной воды.
6. Наиболее простым и эффективным методом очистки ДСВ является использование сорбционных технологий. При разработке сорбционного метода важен поиск эффективных, доступных и дешевых сорбентов. К таким материалам относятся алюмосиликаты природного происхождения.
7. В результате проведённого анализа установлено, что вопросы рационального использования ДСВ для орошения и применения глауконитово-го песка для очистки ДСВ от железа и ионов тяжёлых металлов в каждом конкретном регионе требуют проведения экспериментальных исследований с учётом неоднородности исходного сырья и условий производства.
8. Наиболее перспективным направлением в решении вопросов очистки ДСВ является разработка новых технологий и конструктивных решений инженерно-мелиоративных систем с компактным узлом водоочистки при использовании в качестве сорбента местного материала — глауконитового песка.
Результаты моделирования оценки эффективности использования ДСВ на Багаевской ОС
Требования к исходным; данным, необходимым-для расчётов эффективности использования ДСВ были уточнены в соответствие с Нормативно-методическими ФГНУ «РосНИИПМ» [150].. Среднемесячные величины расходов и минерализации ДСВ на протяжении оросительного периода, с мая по сентябрь, получены в результате обобщения и анализа фондовых материалов ФГНУ «РосНИИПМ», Ростовской гидрогеолого-мелиоративной партии и проведения собственных исследований.
Гидромодули орошения, КПД системы и модули стока установлены на основании данных фактических наблюдений автора, а также заимствованы из технического отчета Управления эксплуатации Багаевско-Садковской оросительной системы [4]. Оросительная система представляет собой один гидромодульный район, фактический КПД её магистральных и межхозяйственных каналов, по данным ФГНУ «РосНИИПМ» и ФГОУ ВПО «НГМА» составляет 0,55 (табл. П-2.7).
Для расчётов фактического использования воды привлечены фактические данные по трем годам — 2003, 2004 и 2005, климатические условия которых определялись по данным метеостанции х. Веселого Веселовского района Ростовской области (табл. П-3.1 и П-3.2).
Климатические условия 2003 года можно охарактеризовать как близкие по температурному режиму к среднемноголетней норме и сухие по.увлажне-нию. Сумма среднесуточных температур составила 3297 С. По количеству выпавших осадков в весенний период они характеризовались как засушливые. В апреле, мае и июне выпало 66,4 мм или всего 35,5 % осадков «против среднемноголетней нормы 186,8 мм, в то же время в июле, августе и сентябре выпало 180 мм осадков, что больше нормы на 25,5 %. Гидротермический коэффициент составил 0,72. 2004 год был более влажный и прохладный. Сумма среднесуточных температур воздуха за теплый период составила 3284 С или 98,2 %от сред-немноголетней нормы. Среднемесячная температура воздуха в апреле, мае и июле была ниже среднемноголетних значений на 0,7-1,0 С, а другие месяцы были близки к многолетней норме. Сумма выпавших осадков за теплый период была выше климатической нормы на 219,2 мм или на 66,4 %. Двойная месячная норма осадков выпала в мае и июне. По условиям увлажнения год характеризуется как очень влажный. ГТК по Селянинову равен 0,90.
2005 год по условиям увлажнения был близок к среднемноголетним нормам. За вегетационный период выпало осадков 323,7 мм или 98 % от нормы, но выпадали они крайне неравномерно. Их было больше в апреле, мае и июне, когда выпало 248,3 мм против 186,8 мм средней нормы. В июле, августе и сентябре количество осадков было значительно меньше. Выпало всего 75,4 мм, против 143,5 мм по норме, т.е. около 50 %. Тепловой режим сои был более благоприятный. Сумма среднесуточных температур составила 3260 С. Более теплыми были июнь, июль и август. Среднесуточная температура была выше соответственно на 0,5, 0,9 и 1,2 С. ГТК составил 0,80.
Предельно допустимая минерализация оросительной воды рассчитывалась согласно разделу 3.1 (выражение 3.6), при этом были приняты следующие исходные данные: глубина расчётного слоя почвы h - 0-100 см; объём-ная масса 0-100 см слоя почвы V— 1,38 г/см (осредненные данные по табл. П-3.3 и П-3.4); допустимое содержание солей в осенний период в расчётном 0-100 см слое почвы, для хлоридно-сульфатного состава солей - 0,2 % от воздушно-сухой почвы [27];/? — коэффициент, равный 0,31, расчёт величины которого приведен в таблице 3.1 и на рисунке 3.2; Sp— биологический вынос солей растениями, в зависимости от культуры изменяется от 0,25 до 1,57 т/га; Сг -минерализация грунтовых вод определялась по конкретным данным, полевых исследований (гл. 2, рис. 2.2 и табл. П-2.3); объём испарившихся грунтовых вод определялся по формуле СИ. Харченко [154]: м„=Е где: Е0 - испаряемость 9430 м /га; е - основание натурального логарифма; т - параметр, равный 0,81; 1гг - фактическая глубина залегания грунтовых вод, м; М— оросительная норма м /га по таблице 2.2. Таблица 3.1 - Расчёт коэффициента корреляции рмежду величинами S0 для условий Багаевской ОС за 2007, 2008 и 2009 годы
Распределение грунтовых вод по глубине залегания и минерализации по площади оросительной системы приведено в таблице 3.3. Таблица 3.3 — Распределение площадей по глубине залегания и минерализации грунтовых вод (послеполивной период 2009 г.У
Проведя сравнительный анализ данных таблиц 3.2 и 3.3 можно заклю-чить, что 10,62 % можно поливать водой с минерализацией до 1,5 г/дм , с минерализацией до 1 г/дм - 32,97 %. Остальные площади следует поливать водой минерализацией 0,5 г/дм и менее, так как на исследуемой территории непромывной режим орошения. На площади 15 % нельзя поливать водой повышенной минерализации.
Минерализация, воды, забираемой на Багаевскую оросительную систему из Донского магистрального канала, согласно данным Комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов администрации Ростовской облас-ти [154], составляла 0,38 г/дм .
В целом взаиморасположение магистральных и межхозяйственных каналов и коллекторов на оросительной системе позволяет использовать модель применения ДСВ для орошения, с подачей стока коллекторов в оросительные каналы в местах их пересечения или близкого прохождения (см. рисунки 3.3-3.7).
Исходя из расходов коллекторов и подвешенных площадей, возможно, подавать сток в оросительные каналы в 7 точках. Сток коллекторов Бг-Мс-1 и Бг-Мс-2 (точки I и II) - в Багаевский канал; Бг-Мс-2 и Бг-Мс-13 (точки III и IV) в Бг-Р-6; Бг-Мс-6 (точка V) и Бг-Мс-4 (точка VI) в Бг-Р-8; Бг-Мс-9 (точка VII)-в Бг-Р-8-1. Рисунок 3.3 - Карта-схема расположения точки I (коллектор Бг-Мс-1) и точки VI (коллектор Бг-Мс-4) Рисунок 3.7 - Карта-схема расположения точки VII (коллектор Бг-Мс-9) Площади (SK), сток с которых проходит через створы коллекторов устанавливались согласно данным Багаевского филиала ФГУ «Управление «Ростовмел иоводхоз».
Расход ДСВ в точке определялся по формуле (3.25). Модуль стока с поливного участка определялся как частное от деления расхода по конкретному коллектору на его водосборную площадь. Гидромодуль орошения определялся осреднённым по системе и её площади. Минерализация воды в оросительном канале перед точкой равна минерализации донской воды. Минерализация воды в оросительном канале после точки рассчитывали по формуле (3.32). При определении величины забора ДСВ в мае, июне, августе 2009 года сток превышал расход воды, потребный для подвешенной к этой точке площади ( 2дсв% & Я ) В этом случае, когда предельно допустимая минерализация поливной воды равна 1,5 г/дм , тогда хк = S . Когда Стах = 1,0 г/дм3 -хк рассчитывается по формуле (3.31). В мае, июне и июле 2005 года, при условии закачки всего стока в оросительный канал, минерализация воды в нем рассчитанная по формуле (3.32) превысила бы предельно допустимую величину. В этом случае величина забора определяется по формуле (3.30). Исходные данные для расчётов представлены в таблице 3.4.
Выбор параметра оптимизации, факторов, уровней варьирования, плана эксперимента и результаты исследований
Определение группы исходных данных дляфасчёта параметров инженерно-мелиоративной системы орошения начинается с разработки схемы севооборота.. Разработка севооборота должна начинаться с определения основного направления хозяйства, его специализации. После этого необходимо составить организационно-хозяйственный план, частью которого является план организации территории, продуктивного использования земель и введения севооборота, то есть проект внутрихозяйственного землеустройства. Землеустройство проводится с целью создания благоприятных организационно-территориальных и производственных условий для рациональной организации производства в целом, лучшего использования земель, внедрения научно обоснованных севооборотов, лучшего использования техники и других средств производства, в конечном итоге получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и повышения рентабельности хозяйства.
Культуры на дополнительную площадь орошения очищенными ДСВ подбираются с учётом: специализации хозяйства; рыночной потребности или потребности хозяйства; чередования в последующие годы по принципу севооборота; почвенно-гидрологических условий и с учётом солеустойчиво-сти данной культуры.
Для поверхностного полива по бороздам можем использовать открытый участковый ороситель, а также трубопроводы, что и для полива дождеванием. Возможны следующие технологические схемы использования поливных трубопроводов:
1. Трубопроводы заменяют выводную борозду, их укладывают на поле перпендикулярно направлению поливных борозд. Это дает возможность осуществлять однотактные и многотактные поливы при продольной и поперечной схемах расположения временной сети. Однотактный полив проводят, когда пропускная способность трубопровода позволяет подать воду во все борозды.
2 . Гибкие трубопроводы, заменяют всю временную сеть: часть их (транспортирующая) служит для подвода воды к поливным трубопроводам. Гибкий трубопровод с поливными отверстиями, как и в первой, схеме, позво-ляет автоматизировать распределение воды между бороздами.
Выбор схемы работы трубопроводов зависит от соотношения продольного и поперечного уклонов. Поперечные схемы применимы при уклонах менее 0,003 с тщательной планировкой в направлении полива. Они предусматривают полив по удлиненным бороздам (300-400 м) при большом расходе поливной струи (1,5-2,5 л/с), расстояниях между бороздами не менее 0,9 м и повышенных требованиях к мутности оросительной воды.
Наиболее распространенными способами вододеления для полива по бороздам из открытой сети является применение переносной арматуры -трубок, поливных щитков, оголовков, а также одиночных и групповых сифонов.
Разработке конструктивных решений инженерно-мелиоративных систем, использующих разбавленные и очищенные ДСВ, посвящены разработки Б. Б. Шумакова, В. Н. Щедрина, Л. В. Кирейчевой, Б. С. Маслова, В. И. Оль-гаренко, А. В. Колганова, Г. В. Ольгаренко, М. Ю. Храброва, Г. Ю. Шейнки-на, К. В. Губера, С. Я. Бездниной [17, 97, 99, 100, 135, 144, 150, 152, 153 и др.]. Известна; например, инженерно-мелиоративная система, в» которой узел очистки и деминерализации выполнен в виде деминерализационной галереи, размещенной на глубине заложения дренажа (см. положит.реш. по заявке N4914795/15, МКЛЕ 02 В 11/00, 1991).
Недостатками этой системы.является достаточно сложное выполнение узла очистки и необходимость проведения дополнительных работ по размещению деминерализационной галереи на глубине заложения дренажа и по регенерации контейнеров с катионитовыми и анионитовыми фильтрами. Известна также инженерно-мелиоративная система, в которой для механической. очистки- дренажного стока используют отстойник, а доочистку осуществляют путем равномерного внутрипочвенного рассеивания1 по откосу осушительного канала (см: ах. N 1275007, Е 02 В 13/00; 1984);
Однако эта система не решает в полном объёме проблему охраны окружающей среды, не обеспечивает высокой степени удаления солей и ионов тяжёлых металлов из стока, вследствие чего водоисточники будут загрязняться.
Известна гидромелиоративная система, в которую входит водоисточник, насосная станция для подачи воды в оросительную сеть (при необходимости), дренажный коллектор, узел очистки и деминерализации и накопительная емкость для сбора дренажного стока (см. Маслов Е. С. Осушительно-увлажнительные системы, М. Колос, 1981).
Однако эта система не позволяет утилизировать дренажные стоки, минерализация стока превышает предельно допустимую величину, что не позволяет его использовать повторно на тех же культурах.
Наиболее близким техническим решением является ГМС, включающая водозаборное сооружение с насосной станцией, узлы управления и химизации, оросительную сеть, поливную технику, водосборно-сбросную и коллек-торно-дренажную сеть, бассейн-накопитель, узел очистки и деминерализации с насосной станцией очищенного стока, средства контроля и управления. [ГМС нового поколения. Шумаков Б Б., Безднина С. Я., Кирейчева Л. В. и др. - М., ВНИИГиМ, 1977, - 110 с. с. 17, рис. 4].
Недостаток данной ГМС в том, что осуществляется только регулирование качества дренажно-сбросных вод, не обеспечивается возможность улучшения качества оросительной воды, а также в том, что при выходе узла очистки из строя снижается экологическая безопасность и надежность системы из-за невозможности очистки дренажно-сбросных вод.
