Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы и перспективы повышения эффективно сти эксплуатации ирригационного фонда 8
1.1 Эффективность орошения и факторы ее определяющие 8
1.2 Основные направления совершенствования водопользования 12
1.3 Повышение точности планирования водопользования на основе расчетных методов нормирования орошения 28
Выводы 40
2 Программа и методика исследований... 42
2.1 Цель, задачи и рабочая гипотеза 42
2.2 Методика проведения исследований 44
2.3 Почвенно-климатические характеристики объектов исследований 51
3 Технический уровень оросительных систем и эффективность орошаемого земледелия 60
3.1 Технический уровень объектов-представителей 60
3.2 Ремонтно-эксплуатационные работы на оросительных системах 69
3.3 Анализ экологической ситуации на орошаемых землях 76
3.4 Динамика почвенного плодородия орошаемых земель 82
3.5 Основные направления повышения эффективности водопользования и эксплуатации ирригационного фонда 92
Выводы 109
4 Оперативное планирование водопользования и нормирование водопотребления на оросительных системах 112
4.1 Использование водных ресурсов на оросительных системах республики 112
4.2 Экспериментальные исследования распределения оросительной воды по каналам 121
Экспериментальные исследования режимов орошения, водопотреб ления и урожайности сельскохозяйственных культур при оперативном планировании водопользования 126
%А Показатели оценки эффективности оперативного планирования водопользования і 137
Выводы 154
5 Повышение эффективности планового водопользования на оросительных системах 156
5.1 Информационно-аналитическое обеспечение расчета проектных и эксплуатационных режимов орошения 156
5.2 Оценка точности расчетных методов оперативного планирования орошения 171
5.3 Экономическая эффективность повышения технического уровня оросительных систем 175
Выводы 180
Заключение 182
Предложения производству
- Основные направления совершенствования водопользования
- Методика проведения исследований
- Динамика почвенного плодородия орошаемых земель
- Оценка точности расчетных методов оперативного планирования орошения
Основные направления совершенствования водопользования
Во Франции дискуссии по поводу того, приватизировать ли организации, занимающиеся охраной и использованием водных ресурсов, или оставить их в государственной собственности, завершились. Все заинтересованные стороны пришли к соглашению, что государство должно нести ответственность зато, что управление водными ресурсами осуществляется в интересах населения. Водопользователи стали играть большую роль в выработке управленческих решений, а инженеры-мелиораторы учатся реагировать на экологические требования и учитывать в своей работе мнение общественности.
Британская система управления водными ресурсами очень эффективна Ее преимущества объясняются четким разделением полномочий между органами управления (management) и контроля (control), а также тем, что законы, нормативные правила, реализация и контроль - все разрабатывается на общегосударственном уровне. Возможные недостатки вытекают из-за слабого контроля общественности за решениями, которые принимают ведомства, несмотря на то, что действует система консультаций с общественностью и директива ЕС о свободном доступе населения к правительственной информации. Органы управления ресурсами строятся по принципу водосборов и бассейнов рек и круг их обязанностей очень широк.
В Германии, согласно Конституции, федеральные земли наделены исключительными полномочиями для решения всех вопросов водохозяйственной деятельности. У федерального правительства в Бонне очень мало полномочий, чтобы осуществлять контроль за загрязнением вод и к нему поступает мало информации о том, что делается на региональном уровне. Особенно осложняет ситуацию то, что указанные землепользователи не всегда совпадают с границами водосборов и бассейнов рек Отсюда возникает острая необходимость в координации действий местных властей - например, во время весенних паводков власти «нижних земель» обвиняют властей «верхних земель» в том, что первые никак не регулируют паводковые воды. Органы управления водными ресурсами существуют в Германии уже 150 лет и, по сравнению с природоохранными организациями, очень влиятельны. Разделение обязанностей между ними во многом объясняется чисто историческими причинами и у каждого из них свои источники финансирования. Это означает, что комплексное управление водными ресурсами зависит от сотрудничества между относительно независимыми организациями.
Португальской системе управления орошением всего только три года и она еще не сложилась окончательно. Ее структура охватывает советы водопользователей, объединенных по водосборам и предусматривает выработку планов управления водными ресурсами и введение налогов на водопользование.
В Пакистане низкая эффективность орошения, объясняется, прежде всего, нерациональной эксплуатацией оросительных систем. С целью поиска альтернативы существующей практике эксплуатации была построена математическая модель для оптимизации эксплуатации оросительной системы в провинции Пенджаб. Модельным исследованиям предшествовали сбор и обобщение экономических данных по рассматриваемому участку за предшествующие четыре года. В основу математической модели положено уравнение водного баланса, составленное с интервалом в одни сутки. Моделировался период, равный четырем годам.
Реализация модели сводилась к следующему. Все поля и культуры ранжировались в зависимости от их экономической значимости и потребности в воде. При распределении воды потребности водопользователей удовлетворялись в соответствии с ранжированием. При наличии избытка воды она подавалась на парующие участки, а также на участки с убранным урожаем для предпосевного полива По результатам моделирования каждого года рассчитывалась прибыль и сравнивалась с фактически полученной за этот период. При планировании орошения во Франции [68] учитывают вероятность засух в критические фазы развития растений, обеспеченность в эти сроки водными ресурсами, технические возможности подачи требуемых объемов воды в необходимые сроки, режим работы соответствующего оборудования. В зависимости от свойств почвы определяют сроки начала и окончания полива, величину поливной нормы, возможности равномерного распределения воды. Сроки полива определяют воднобалансовым методом с расчетом запаса почвенной влаги, потенциальной эвапотранспирации и коэффициента во-допотребления или путем измерения влажности тензометрами. Развитие орошения во многих районах сдерживается дефицитом водных ресурсов, тогда как КПД традиционных оросительных сетей с открытыми каналами составляет менее 50 %. Применяют преимущественно самотечные способы поверхностного полива Для оптимизации водопользования вводят плату за воду, устаивают водохранилища для аккумулирования местного стока. Для уменьшения потерь воды на полях орошения осуществляют капитальную планировку поверхности по лучу лазера, заменяют открытые каналы низконапорными закрытыми трубопроводами, расширяют использование сбросных и сточных вод, применяя водосберегающие способы полива сельскохозяйственных культур (капельное орошение и микродождевание).
В крупном орошаемом районе на Западе США в бассейне реки Колорадо действует, разработанная в 1970-1973 гг. Министерством сельского хозяйства страны специальная комплексная водоохранная программа
Причиной введения программы послужило катастрофическое повышение минерализации вод в американской части бассейна реки и протест правительства Мексики по поводу поступления этих вод на ее территорию. Поскольку основным источником загрязнения являются коллекторно-дренажные воды с орошаемых полей, главной задачей программы было сокращение сброса этих вод в реку путем оптимизации систем водопользования.
Методика проведения исследований
Первое бурение на влажность осуществлялось в начале вегетационного периода (перехода среднесуточной температуры воздуха через +10С), либо на дату посева сельскохозяйственной культуры. При глубоком залегании уровня грунтовых вод ( 3,0 м) скважины бурились на глубину до 2 м: 5 скважин - по одной на каждый вариант опыта и 10 скважин на глубину до 1 м - по две скважины на каждый вариант опыта. По слоям 0-10, 10-20 и т.д., после 1 м по слоям 100-120,120-140 и т.д. до 2 м.
Бурение скважин через 10 дней, а также перед поливом и через сутки после проведения поливов, глубина до 1 м, отбор образцов в бюксы - через 10 см (0-10,10-20 и т.д.).
Выбиралась одна повторность и на каждом варианте по три скважины - всего 15 скважин за один отбор.
Необходимо установить дождемеры для контроля осадков, хотя бы один дождемер на опытном участке.
При проведении поливов устанавливались дождемерные стаканчики по 5.. Л0 штук вдоль крыла машины, по каждому варианту, всего 250 стакан-чивков. После прохода машины вода из каждого стаканчика замеряется мерным сосудом (в мл); зная приемную площадь стаканчика и объем воды, определяли количество поступившей на участок воды в мм.
На даты бурений измерялась высота растений по диагонали опытного участка на каждый вариант (10... 15 растений), определялась фаза развития растений, а также отбирались образцы на прирост биомассы при помощи рамки площадью 0,25 м2, которая устанавливалась на землю, все растения, попавшие в нее, срезались и взвешивались. По три отбора на каждом варианте.
Осуществлялся отбор образцов на содержание NPK, гумуса, водно-физических свойств и механического состава почвы.
Водно-физические характеристики, механический и микроагрегатный состав определялись по методике И. А. Качинского. Отбирались образцы для определения выноса питательных веществ с урожаем сельскохозяйственных культур, содержание питательных веществ определялось в лаборатории, общий азот и сырой протеин по методу Кьель-дано, содержание фосфора вонадолибатным методом, калий - плазменнофо-тометрическим методом.
Фенологические наблюдения проводили по методике ВНИИкормов.
Учет урожая проводился сплошным методом, отбирались смешенные образцы для определения структуры урожая.
Выбирался участок на каждом варианте (10x10). Растения срезались и взвешивались. Либо при помощи рамки 1 м2 (1x1 м) отбирались растения в зоне рамки и взвешивались. Не менее 10 рамок на каждый вариант опыта, отбор по диагонали участка
Для проведения исследований использовались районированные сорта сельскохозяйственных культур - люцерна «Маныческая синегибридная». Все агротехнические мероприятия на опытных участках проводились в соответствии с рекомендациями зональных систем земледелия, разработанными для черноземных почв Юга России в РАСХН, ВИУА, НПО «Дон», СтавНИИ-ГиМ, ЮжНИИГиМ.
Обязательным условием всех опытов было изучение и фиксация физико-химических свойств почв, объемного и удельного веса, механического, химического и гранулометрического состава, пористости, скорости впитывания, которые определялись по общепринятым методикам.
Отбор, хранение и транспортировка образцов выполнялась согласно ГОСТ 12071-72.
Статистическая обработка полученных данных, установление закономерностей взаимодействия изучаемых факторов проводились с применением стандартных методов математического анализа 2.3 Почвенно-климатические характеристики объектов исследований Территория республики Адыгея относится к предкавказской климатической провинции. Характерной особенностью климата является обилие света и тепла Запасы солнечной энергии, выражаемые величиной радиационного баланса, составляют 50.. .55 ккал/см2, причем баланс весь год положителен.
Продолжительность солнечного сияния составляет в сумме 2000...2400 часов в год, сумма активных температур - 3400.. .3600С.
Весьма существенное влияние на общую циркуляцию воздушный масс оказывает система горных хребтов Большого Кавказа, а также близость двух больших незамерзающих морей - Чёрного и Азовского.
Доступность территории как для холодных, так и для теплых воздушных масс и расположение ее на границе между теплыми южными морями и холодным контингентом, определяют резкие изменения погоды и большие колебания температур, как в течение конкретного сезона, так и на протяжении ряда лет. Среднегодовая температура по м/ст Краснодар 10,8С. Самый жаркий месяц - июль, со среднемесячной температурой +23,2С, наиболее низкие температуры наблюдаются в январе - 1,8С.
Продолжительность теплого периода со среднесуточной температурой более 0С составляет 298 дней, годовая сумма осадков - 643 мм, а за апрель -октябрь - 370 мм. Преобладающие ветры в течение года восточного и северо-восточного направления. Годовая сумма испарения с водной поверхности составляла 1000 мм. Наибольшее испарение приходится на июль и в среднем равно 194 мм. В жаркие, засушливые годы испарение возрастает до 1320 мм/год.
Динамика почвенного плодородия орошаемых земель
Ретроспективный анализ развития орошения в республике Адыгея показывает, что в период с 1975 по 1990 годы характеризовался ростом орошаемых площадей от 11248 га до 39292 га, среднегодовые темпы прироста составили около 990 га. Однако с 1990 года по 2000 год было выведено из сельскохозяйственного оборота 11633 га, в том числе рисовых систем 5292 га, а площадь орошаемых земель к 2000 г. составила 25855 га, из которых в хорошем экологическом состоянии - 16944 га (или 65,5 % от общей площади); удовлетворительном - 2856 (или 11 %); в неудовлетворительном - 6055 га ((23,5 %) (таблица 3.11). Доля неблагоприятных в экологическом плане земель составляла соответственно в 1970 г. - 5,2 %; 1975 г. - 6,7 %; в 1990 -4,0 %; в 2000 г. - 23,5 % от общей площади орошаемых земель, 34,5 % из которых подвержены процессам засоления (рисунок 3.1).
Динамика экологического состояния орошаемых земель приведена на рисунке 3.2. Анализ показывает, что неудовлетворительное состояние орошаемых земель по причине их засоления в 1975 г. составила 50 га: в 1990 г. -500 га; в 2000 г. - 3400 га, таким образом, количество этих земель возросло в 68 раз, а по причине критического залегания уровня грунтовых вод соответственно в 3,1 раза
В целом по системам засоления земли составляют 3476 га или 57,3 % от площади земель, находящихся в плохом экологическом состоянии; сильно солонцеватые почвы и площади земель с глубиной залегания уровня грунтовых вод 1,0...1,5 м составили соответственно по 12,8
Аналогичный анализ проведен в разрезе оросительных систем республики. Например, в зоне деятельности Тахтамукайского управления оросительных систем из общей площади орошаемых земель в 6194 га, используемых в 2000 г., в неудовлетворительном состоянии находится около 800 га или 13 % ирригационного фонда.
Из 1974 га, орошаемых в 2000 году в Шовгеновском районе к неблагоприятным по экологическим условиям могут быть отнесены 947 га, в том числе из-за засоления почв - 200 га, из-за недопустимой глубины залегания уровня грунтовых вод и засолением почв - 747 га Площадь земель, на которой требуется проведение работ по повышению технического уровня оросительных систем составляет 1224 га, комплексная реконструкция оросительных систем необходима на площади 224 га. Проведение капитальной планировки требуется на площади 1000 га, капитальной промывки на площади 230 га, химическая мелиорация на площади 567 га, ремонт коллекторно-. дренажной сети на площади 150 га
Анализ экологической ситуации по Красногвардейскому управлению оросительных систем показывает, что из общей площади орошаемых земель в 6292 га (2000 г.), к незасоленным могут быть отнесены земли на площади 5579 га, слабозасоленным 580 га, средне и сильнозасоленным 133 га По степени солонцеватости, к несолонцеватым могут быть отнесены 5895 га, к сильносолонцеватым 161 га.
Глубина залегания грунтовых вод составляет 1,0 ... 1,5 метров на площади 1323 га; от 1,5 до 2,0 метров на площади 4677 га и более 3,0 метров на площади 266 га; минерализация грунтовых вод не превышает 1,0 г/л на площади 4598 га; 2,0.. .3,0 г/л на площади 1694 га
Экологическое состояние орошаемых земель может быть отнесено к удовлетворительному на площади 1830 га, и как неудовлетворительное на площади 4414 га, в основном по причине близкого залегания УГВ и подтопления территории. Таблица 3.11 - Изменение экологического состояния орошаемых земель республики Адыгея за 1975 - 2000 годы Годы Показатели 1975 1990 2000 Площадь орошаемых земель 11298 39292 25855 гSг Я теліSі"«а0Ы По глубине залегания УГВ менее 1,0 м - - 1,0 -1,5 м - 926 1859 1,5-2,0 м 1251 5725 2449 2,0 - 3,0 м 5147 19461 13474 более 3,0 м 4900 13180 11493 По минерализации грунтовых вод менее 1,0 г/л 6928 20860 10451 2,0 - 3,0 г/л 4370 18432 15404 более 3,0 г/л - - По засолению незасоленные 11050 37906 16944 слабозасоленные 198 986 5489 среднезасоленные 26 218 720 сильнозасоленные 25,0 182 2702 По солонцеватости несолонцеватые 11298 38702 24660 слабосолонцеватые - 321 421 сильносолонцеватые - 269 774 По минерализации оросительной воды менее 1,0 г/л 11298 39292 25855 2,0 - 3,0 г/л - - более 3,0 г/л - - Экологическое состояние орошаемых земель, га хорошее 9940 36819 16944 удовлетворительное 602 996 2856 неудовлетворительное 756 1595 6055 Неудовлетворительноеэкологическое состояниепо причинам:(га) недопустимая глубина залегания УГВ 590 926 1859 засоление и осолонцевание почв 51 669 3476 недопустимая глубиназалегания УГВ изасоление почв 115 120 720
Повышение технического уровня оросительной системы и проведение комплексной реконструкции требуется на площади 6292 га, в том числе по видам работ: повышение технического уровня на площади 4414 га, капитальная промывка на площади 201 га, капитальная планировка на площади 3235га
Оценка точности расчетных методов оперативного планирования орошения
Водохозяйственный комплекс Адыгеи представляет собой сложную систему, состоящую из водохранилищ, каналов, гидротехнических сооружений, прудов, бассейнов сезонного регулирования, нескольких крупных и множества мелких, расположенных по всей системе источников орошения, узлов и связанных с ними магистральных и межхозяйственных каналов.
Сложность реализации оптимального водораспределения обусловливается необходимостью обработки большого объема информации, масштабностью и сложностью структуры оросительной сети, специфики и задач по во-дораспределению ее отдельных элементов, учете и увязке отдельных требований водопользователей к объему, месту и срокам подачи воды.
Функция оперативного планирования водораспределения состоит из решения следующих основных задач: - прогноз запасов водных ресурсов в источниках орошения; установления фактических потребностей в воде; увязка водного баланса по оросительным системам.
Планы водораспределения являются основой рационального использования оросительной воды и во многом определяют эффективность функционирования гидромелиоративных систем [155-160].
Существующая методика расчета планов и их корректировки построена на следующих принципах: пропускная способность сети каналов и сооружений не накладывает никаких ограничений на водораспределение; качество воды в водоисточнике удовлетворяет требованиям к качеству оросительной воды; водоотведение с орошаемых полей обеспечивается существующей дренажной сетью; все возвратные воды фиксируются гидрометрическими створами; повторное использование сбросных и дренажных вод учитывается с обязательным определением их качества
Основными причинами, из-за которых появляется необходимость корректировки планов водораспределения являются: отличие структуры или размеров фактических площадей орошаемых земель от плановых; изменение значений КПД внутрихозяйственной и межхозяйственной сети или их параметров; дефицит воды в источниках орошения по сравнению с водностью, на которую рассчитывались планы; неприемлемость нормативного режима орошения, принятого при расчете исходного плана для конкретной вегетации из-за особенностей агрометеорологических условий или изменения мелиоративного состояния объекта,
При отклонении показателей планов на 10... 15 % от первоначальных, планы должны корректироваться.
Для решения этих проблем необходимо провести сопоставление плановых и фактических режимов водораспределения на оросительных системах, дать анализ причин отклонений фактических величин от плановых.
На основе такого анализа определяются и обосновываются наиболее важные и перспективные задачи, решение которых необходимо для коренного улучшения планирования водораспределения, намечается очередность их реализации в зависимости от ожидаемой экономической эффективности.
Увязка фактического водопользования с имеющимися водными ресурсами является одним из наиболее трудных и нерешенных вопросов. Эта задача может быть решена только на основе детального исследования формирования водохозяйственных балансов в ретроспективе с учетом почвенно-климатических, гидрогеологических и организационно - хозяйственных факторов.
Анализ научно-технических материалов показывает, что среднем за 1971-1975 годы, при площади орошаемых земель в 11298 га, фактически использовалось 9862 га, а полито 5063 га, в структуре которых рис составлял 713 га (14,0%), технические культуры 398 га (7,9 %), кормовые - 2340 га (46,2 %), овощи - 709 га (14,0 %), пастбища - 867 га (17,1 %), сады и виноградники - 36 га (0,7 %).
Водоподача на орошение составила 31,9 млн. м3, при плане 34,2 млн. м3, удельное водопотребление - 6304 м3/га.
Коэффициент земельного использования (КЗИ) равен 0,71, а коэффициент использования ирригационного фонда (КИФ), представляющий собой отношение фактически политой площади к общей площади орошения составил 0,36.
В 1985-1990 годах при общей площади орошаемых земель 39292 га использовалось 27999 га, фактически полито 16907 га В структуре севооборотов рис оставлял 9732 га (58 %), овощи - ИЗО га (6,7%), кормовые - 4259 га (25,4 %), технические - 1656 га (9,8 %), сады и виноградники - 130 га (0,1 %).
При данной структуре севооборотов водоподача на орошение составила 154,98 млн. м3, при планируемой - 172,05 млн. м3, а удельное водопотребление - 8860 м3/га при оросительной норме риса 15000 м3/га, овощей - 1100 м3/га.
Коэффициент земельного использования составил 0,71, а коэффициент использования ирригационного фонда - 0,42 (таблица 4.1).
В 1995-1999 годах при наличии орошаемых площадей в 25855 га, в среднем площадь полива составила 3764 га, в том числе: риса 1900 га (52,3 %), технических культур - 700 га (18,9 %), кормовых - 1063 га (28,7%), овощи - 63 га (0,1 %); сады и виноградники - 38 (0,1 %). Дождеванием поливалось 38 га овощей и 250 га технических, 300 га кормовых культур, остальные площади - поверхностным поливом.
Коэффициент земельного использования составил 0,39, а коэффициент использования ирригационного фонда- 0,25.
Ретроспективный анализ показывает, что после 1990 года произошло резкое снижение эффективности орошаемого земледелия, как качественно, так и количественно, выразившееся в снижении КЗИ, КИВ и КИФ, а также росте площадей поверхностного орошения и удельного водопотребления, а, следовательно, и энергозатрат на орошение, при значительном снижении урожайности (по отдельным группам культур в 2...3 раза по сравнению с 1980-1995 годами).
В 1971-1975 годах при средних значениях планового водозабора 45,6 млн. м3, фактически подано 42,35 млн. м3, стандартное отклонение составило соответственно для плановых значений - 1,18; а для фактических - 2,00; а коэффициент вариации соответственно 0,26 и 0,45. При коэффициенте вариации осадков за эти годы 0,27. Сравнение этих коэффициентов показывает, что планирование проводилось качественно (0,26 0,27), а вот реализация планов осуществлялась не эффективно, так как коэффициент вариации фактической водоподачи превысил почти в 2 раза коэффициент вариации осадков.
Во «влажный» 1988 год, при орошаемой площади 17207 га, в том числе риса 9448 га, овощных - 1130 га, оросительная норма риса составила 15350 м3/га, а овощных культур - 1100 м3/га
В «засушливом»1989 году при общей площади орошения в 16480 га, в том числе риса 10290 га, овощей - 910 га, оросительная норма для полива риса составила 21000 га и полива овощей - 1800 м3/га.
В 1990 г. - «средний» по дефициту увлажнения, при общей площади орошения в 16770 га, в том числе риса 9560 га, овощей - 1000 га, оросительная норма риса составила 17800 м3/га, а овощных культур 1500 м3/га.
По управлениям оросительных систем отмечено резкое ухудшение показателей планового водопользования, особенно в последние годы.
Так, по Красногвардейскому управлению оросительных систем в 1997 году при поливе 625 га риса и 293 га кормовых культур и водозаборе на орошение 20,2 млн. м3, фактически было подано 15,76 млн. м3, а коэффициент полезного действия оросительной сети составил 0,66.
