Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы и перспективы рационального и устойчивого водопользования на оросительных системах 8
1.1 Эколого-экономическая эффективность орошения и факторы ее определяющие 8
1.2 Рациональное водопользование как основа экологической безопасности 22
1.3 Комплекс задач по совершенствованию системы управления водораспределением 35
Выводы 47
2 Программа и методика исследований 50
2.1 Цель, задачи и рабочие гипотезы 50
2.2 Методика проведения исследований 52
2.3 Почвенно-климатические характеристики объектов исследований 56
3 Технический уровень оросительных систем и эффективность водопользования 62
3.1 Технический уровень оросительных систем Ростовской области 62
3.2 Экологическое состояние орошаемых земель 74
3.3 Эффективность орошения сельскохозяйственных культур 83
3.4 Ремонтно-эксплуатационные работы на оросительных системах 90
Выводы 99
4 Исследования влияния качества планирования водопользования на эффективность орошения 102
4.1 Ретроспективный анализ водопользования на оросительных системах 102
4.2 Режимы водораспределения по Багаевскому магистральному каналу и водопотребление овоще-кормового севооборота 108
4.3 Экспериментальные исследования распределения оросительной воды по каналам и полям орошения 129
4.4 Исследования возможности повышения водообеспеченности оросительных систем за счет использования колекторно дренажного стока 133
4.5 Критерии оценки эффективности водопользования 140
Выводы 147
5 Рациональное планирование водопользования на оросительных системах Ростовской области 149
5.1 Обоснование методического подхода к планированию водопользования 149
5.2 Рационализация оперативного планирования и оценка качества водопользования 156
5.3 Прогноз изменения экологического состояния орошаемых земель при различном качестве оросительной воды 165
5.4 Экономическая эффективность повышения технического уровня оросительных систем 169
Выводы 173
Заключение 175
Предложения производству 177
Список использованных источников
- Рациональное водопользование как основа экологической безопасности
- Методика проведения исследований
- Экологическое состояние орошаемых земель
- Экспериментальные исследования распределения оросительной воды по каналам и полям орошения
Рациональное водопользование как основа экологической безопасности
Следует отметить, что только за счет повышения качества управления водораспределением на системах можно увеличить урожайность сельскохозяйственных культур на 7... 10 %, продуктивность использования воды на 15...20%.
Проведенный анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что орошение обеспечивает повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, но при этом наблюдаются негативные тенденции -подъем уровня грунтовых вод, засоление почв, развитие водной эрозии, загрязнение водоисточников, нерациональное использование водных ресурсов. Все эти процессы не являются неизбежными для орошения, а вызваны недостаточной технической оснащенностью оросительных систем, низким уровнем управления водораспределением, несоблюдением технологий. Потому модернизация существующих оросительных систем, проведение мероприятий по значительному снижению фильтрации воды из каналов и ликвидации сбросов, ограничению забора, улучшению качества воды, строительству водонакопительных водохранилищ, повышение качества эксплуатации оросительных систем, применение современных способов и техники полива, повторного использования сбросных вод для орошения, применения оптимального режима орошения сельскохозяйственных культур и методов управления водораспределением с широким использованием экономико-математических методов имеют важное значение для мелиоративной отрасли..
Мелиоративные системы следует проектировать, строить и эксплуатировать таким образом, чтобы обеспечивалась наилучшая адаптация их к конкретным почвенно-климатическим и социально-экономическим условиям, а также минимизация антропогенного воздействия их на окружающую природную среду. Таким образом, основными направлениями повышения технического уровня систем является совершенствование технологических про 17 цессов орошения сельскохозяйственных культур и управления гидромелиоративными системами, оптимизация хозяйственного водопользования и системного водораспределения. По данным ФАО /62/, несмотря на значительное увеличение орошаемых площадей в странах Азии, эффективность орошения в этом регионе остается низкой в результате недостаточной технической оснащенности оросительных систем и несогласованности в работе водопотре-бителей. Эффективность орошения составляет лишь от 30 до 40 % и поэтому соотношение фактически поливаемой площади к планируемой остается низким. Для повышения эффективности использования водных ресурсов необходимо, прежде всего, совершенствование управления водораспределением между водопотребителями. Аналогичные экологические проблемы отмечаются при развитии орошения в зарубежных странах /63.. .75/.
Исследованиями американских ученых установлено, что причинами низкой эффективности орошения является недостаток измерительных устройств, нерациональное использование водных ресурсов, низкий уровень организации водного хозяйства, потери в сети оросительных каналов. Интенсивное ирригационное освоение земель на Западе США, вызывало осолонце-вание и засоление почвы в понижениях рельефа, плоскостную и овражную эрозию, заиление каналов и водохранилищ, подтопление земель, ухудшение качества поверхностных вод. На 22 % орошаемых площадей увеличилось засоление почв, на 15 % развилась водная эрозия, на 20 % глубина залегания уровня грунтовых вод уменьшилась до 0,9 м от поверхности земли. Эффективность использования оросительной воды на полях орошения остается еще на достаточно низком уровне ввиду потерь на фильтрацию и значительных объемов сбросных вод.
Национальными проблемами в области орошения и осушения земель в США признаны дефицит поверхностных вод, истощение и загрязнение подземных вод, эрозия почв, загрязнение и заиление водоемов. Региональными проблемами на Северо-Западе и Юго-Западе США является дефицит водных ресурсов, на Великих Равнинах - истощение подземных вод, на Севере и Центральных районах - переувлажнение земель, на Юго-Востоке - иссушение и эрозия почв, на Северо-Востоке - переувлажнение и эрозия. Прогресс в орошении земель связывают с совершенствованием технологий проектирования, строительства и эксплуатации оросительных систем, использованием ЭВМ для проектирования режимов орошения, автоматизации управления во-дораспределением; применением низконапорной широкозахватной техники, высокопроизводительных мелиоративных машин.
По данным ФАО, из общей площади орошаемых земель, в 250 млн. га, сильно засолено 20...30 млн. га, слабое засоление отмечено на 60...80 млн. га. Основные расчеты и недостатки мировой практики орошаемого земледелия - это низкий коэффициент полезного действия (КПД) оросительных систем (от 20...30 % до 30...50 %); недостаточная и несвоевременная подача воды на поля, и в тоже время нормы полива во многих случаях избыточны, что приводит к засолению и заболачиванию почв; отсутствие стимулов к эффективному управлению использованием водных ресурсов на уровне оросительной системы и хозяйства.
Анализ вышеизложенных материалов позволяет сделать вывод о том, что главным недостатком практики орошаемого земледелия являются значительные потери на фильтрацию и сброс Потери воды, связанные с несвоевременным проведением поливов, в сочетании с техническими потерями могут достигнуть до 50 % и приводят к усилению отрицательных воздействий орошения на среду, ухудшению гидрогеологической обстановки, снижению плодородия почв.
Методика проведения исследований
В ЮАР было проведено моделирование и определение вариантов распределения оросительной воды между водопотребителями /174/. В условиях дефицита водных и финансовых ресурсов проведено регулирование водопо-дачи и оптимизировано размещение дорогостоящих гидротехнических сооружений для управления распределением оросительной воды путем совместной оптимизации структуры сельскохозяйственного производства и водо-распределения по каналам и участкам.
Чешскими учеными /175/ рассмотрены основные принципы построения компьютерной модели управления оросительной системой. Задача моделирования в принятии решения изучена в трех аспектах: физиология растений, технология сельскохозяйственного производства в хозяйстве и гидрологического режима почвы. В процессе обработки информации для облегчения изучения альтернативных вариантов при управлении работой системы включили такие переменные, как требуемые, расчетные и фактические показали ее состояния. Эти методы позволяют учитывать взаимное размещение водохранилищ и водопотребителей, осадки, изменчивость коэффициента водопотреб-ления сельскохозяйственных культур и др.
Анализ зарубежных литературных источников позволяет сделать некоторые обобщения по изучаемым вопросам. Прежде всего при планировании и реализации водопользования на оросительных системах учитываются конкретные почвенно-климатические условия регионов, вероятность наступления засух в критические фазы развития сельскохозяйственных культур и обеспеченность их в эти периоды водными ресурсами в нужных объемах и в необходимые сроки. Решаются также оптимизационные задачи по распределению водных ресурсов. Однако имеется и озабоченность особенно американских ученых связанная с тем, что разработка новых технологий водопользования идет ускоренными темпами, а их внедрение в широкую практику орошаемого земледелия занимает десятилетия и требует дополнительных капиталовложений.
Разработкой моделей управления водопользованием в России и странах ближнего зарубежья занималась большая группа ученых и в том числе Г.В. Воропаев, Е.П. Галямин, Ю.П. Добрачев, О.П. Кисаров, А.Н. Кан, К.И. Саро-чан, А. А. Соколов, М.Г. Саноян, В.П. Остапчик, И.Ф. Юрченко /176,177/.
Основополагающий вывод, который можно сделать, анализируя работы в указанном направлении - это разработка целенаправленных комплексных программ управления водораспределением на базе компьютерных информационно-советующих систем с ориентацией на повторное использование сбросных вод и применение биоинженерных очистных сооружений, с целью создания экологически безопасных гидромелиоративных систем.
В организации и проведении планового водопользования на орошаемых системах важное значение имеют исследования по изучению режимов орошения сельскохозяйственных культур, суммарного их водопотребления для различных природно-климатических зон страны. В этом направлении проделана громадная работа большим Количеством авторов, как в нашей стране, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья. К примеру работы СВ. Выхованко, Р.И. Горбачевой, И.А. Кузника, А.П. Кочетова, А.Р. Константинова, СИ. Харченко, Ш. Угрехелидзе, Г.В. Талалаевского, Белау, Лит-тве, Пенмана и др. /178... 191 /.
Анализ указанных работ дает возможность утверждать, что только разработка совершенных и усовершенствование имеющихся методов расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур и суммарного водопотребления, позволяющих использовать комплексную информацию о метеорологических, почвенных, гидрогеологических условиях, биологических особенностях сельскохозяйственных культур и их влаго обеспеченности, о характере изменчивости этих факторов, может служить практической основой для рациональной организации управления поливами, обеспечивающей высокую эффективность и экологическую опасность орошаемого земледелия.
Концепция, принятая на XVII конгресс МКИД подчеркивает, что первым и главным требованием для модернизации и восстановление оросительных систем должно быть управление использованием оросительной воды, ориентированное на сброс без ущерба для состояния почв и окружающей среды. Основными задачами, решаемыми для рационального водопользования в условиях дефицита водных ресурсов должны стать: управление использованием оросительной воды которая в данной ситуации рассматривается в качестве социального и экономического товара; должны быть отработаны и доведены до водопользователей руководящие принципы устойчивого и комплексного использования водных ресурсов для сельского хозяйства. Поскольку орошение в условиях водного дефицита охватывает широкий спектр различных вопросов и заинтересованных участников, социально - экономические аспекты данной проблемы должны постоянно рассматриваться на семинарах и конференциях; при рассмотрении указанных проблем, наряду с учетом местных условий, должны приниматься во внимание оптимальные решения на уровне речного бассейна; небольшая, но своевременная подача воды в период засухи, защищает сельскохозяйственные культуры от гибели, для чего рекомендуются контролируемые дефицитные поливы.
Экологическое состояние орошаемых земель
Динамика развития орошаемых земель на государственных системах имеет аналогичные закономерности с выше приведенной динамикой, но только с менее выраженными пиками. По состоянию на 1 января 2002 г. общее количество орошаемых земель в области составило 288,9 тыс. га, в том числе на государственных оросительных системах 244,6 тыс. га.
После 1987 г. площадь орошаемых земель стала постоянно сокращаться. Так, в результате проведенной в 1987 г. технической инвентаризации существующих орошаемых земель, в Ростовской области списано с баланса 52,8 тыс. га, в том числе регулярно орошаемых на госсистемах 14,4 тыс. га и участков на местном стоке 38,4 тыс. га. С 1992 г. начался интенсивный процесс списания орошаемых земель, Причины списания заключаются в значительном моральном и физическом износе не менее половины оросительных систем, построенных в области в 50-60 гг., как правило, без дренажа, с каналами в земляном русле. Существующая межхозяйственная оросительная сеть и гидротехнические сооружения, а также ряд насосных станций требуют реконструкции или капитального ремонта. Особенно неудовлетворительное положение на орошаемых землях, которые эксплуатируются более 45 лет в составе Азовской, Верхне-Сальской ОС (I очередь), Нижне-Донской, Манычской и Багаево-Садковской ОС (I очередь).
Фактическое прекращение в последние годы финансирования службы эксплуатации явилось основной причиной сокращения объемов мелиоративных работ по новому строительству и реконструкции мелиоративных систем. Так, в 1997 и 1998 гг. в Ростовской области орошаемые площади вообще не вводились в эксплуатацию; в 1999 г. были введены в эксплуатацию 630 га орошаемых земель после реконструкции и 370 га площадей нового орошения; в 2000 г. - 1405 га орошаемых земель после реконструкции, ввода площадей нового орошения не было.
По данным технических отчетов и результатам паспортизации общая протяженность магистральных и межхозяйственных каналов на госсистемах составляет около 2,3 тыс. км, а противофильтрационное покрытие имеют только 500 км. В процессе длительной эксплуатации дамбы каналов разуплотнились, оказались пронизанными кротовинами и корнями растений, что усилило фильтрационные процессы.
На магистральных и межхозяйственных каналах расположены 117 насосных станций, из которых половина нуждается в реконструкции. Морально и физически устарели насосные станции на Азовской, Верхне-Сальской, Нижне-Донской, Донской, Цимлянской, Миусской, Чирской оросительных системах, где требуется замена устаревшего насосно-силового оборудования, сооружений водозабора, напорных трубопроводов, систем энергоснабжения. На орошаемых участках из 448 насосных станций в исправном состоянии находится 379; необходим ремонт силового оборудования, замена рабочих колес, восстановление аванкамер с имеющейся на них сороудерживаю-щей, рыбозаградительной и другой арматурой. Протяженность внутрихозяйственной лотковой сети составляет 1200 км, из которых около 1000 км отслужили нормативный срок и требуют замены. Закрытая оросительная сеть имеет протяженность более 4000 км, из них 1300 км приходится на тонкостенные трубы РТНС, срок службы которых не превышает 10 лет, т.е. практически все они подлежат замене.
Наиболее технически неисправными являются лотковые каналы и каналы в земляном русле. На таких элементах оросительных систем имеются значительные дефекты самих лотков и уплотнений между ними и сток. Несколько меньше подвержены дефектам сопрягающие сооружения. У каналов в земляном русле нарушен профиль, повреждены водовыпуски, русло заросло сорной растительностью, а иногда кустарником и деревьями. Гидротехни ческие сооружения требуют замены подпорных щитов, ремонта отмостки верхнего и нижнего бьефов. В рабочем состоянии, требующем ремонта, находятся каналы в монолитном бетоне. Такие каналы необходимо очистить от заиления (иногда значительного), сорной растительности и произвести ремонт температурных швов.
Насосные станции требуют ремонта силового оборудования, замены рабочих колес, восстановления аванкамер с имеющейся на них сороудержи-вающей, рыбозаградительной и другой арматурой. Напорные трубопроводы (ввиду уменьшения мощности насосных станций) не имеют значительных разрушений. Имеет место заиление, зарастание ракушкой, повреждение запорной арматуры и гидрантов на поверхности,
Важной проблемой остается ухудшение технического состояния дренажа, результаты многочисленных обследований которого на мелиоративных системах Ростовской области показывают, что основными причинами выхода дрен из строя являются подтопление и завалы устьев. За период с 1986 по 1998 гг., несмотря на значительное сокращение орошаемых площадей (23 %), площади дренирования уменьшились всего на 14 %, а с закрытым дренажем на 3 %, т.е. удельный вес дренированных площадей вырос (таблица 3.1), вместе с тем, техническое состояние дренажа, особенно закрытого, значительно ухудшилось. Если в 1990 г. количество работающих дрен составляло 20 %, то в 1998 году оно сократилось до 10 %.
Экспериментальные исследования распределения оросительной воды по каналам и полям орошения
Структура посевных площадей на орошении изменялась и была характерна той политике, которая проводилась в агропромышленном комплексе России, В 80-е годы XX столетия основное место в структуре занимали кормовые культуры и составляли 54-56 % от общей площади орошения, из них 55-60 % занимали многолетние травы; под зерновыми находилось 29...31%, картофелем, овощными, бахчевыми - (10-11) %; техническими - (2,5-3,0)% (таблица 3.12). Такая структура соответствовала состоянию орошаемого земледелия и рекомендациям научно-исследовательских центров/26/.
Анализ данных показывает, что за последние годы произошло резкое сокращение посевов кормовых культур /27/ и их доля в севообороте к 2000 г. сократилась до 20-25 % (с 203,6 тыс. га до 49,9 тыс. га), что обусловлено диспаритетом цен и привело к значительному сокращению поголовья скота в области до 3,4 раза (с 2,1 до 0,67 млн. голов); овец - в 7,5 раз (с 3,8 до 0,51 млн. голов); свиней - в 3,3 раза (с 2,2 до 0,66 млн. голов). Сократились площади под высокобелковыми культурами, например, под соей (в среднем с 10,0 до 1,0 тыс. га); практически вдвое сократились площади под овощными культурами (с 30... 35 до 15... 18 тыс. га).
Конъюнктура рынка способствовала сохранению площадей под зерновыми культурами на уровне 100... 120 тыс. га, что привело к увеличению доли посевов зерновых культур до 45.. .50 %; посевы технических культур возросли до 30. ..35 тыс. га (в том числе подсолнечника - до 24,0 тыс. га), их доля в севооборотах достигла 15... 17 % орошаемых площадей.
Производство риса на Ростовских оросительных систем в 1960-1990 гг. положительно сказалось на экономике рисопроизводящих хозяйств, так как его урожай и действующие в тот период закупочные цены способствовали этому. За последнее десятилетие в связи со сложившейся экономической ситуацией посевные площади под рисом сократились с 25 до 11-12 тыс. га; фактическая величина насыщенности рисом севооборотов снизилась с 54 в 1989 г. до 23 % в 2000 г.
В настоящее время отсутствие паритета цен на сельскохозяйственную и промышленную продукцию сделало малодоступным приобретение мелиоративной и поливной техники, горючесмазочных материалов, даже экономически сильным хозяйствам. В сложившихся условиях наблюдается устойчивая тенденция к сокращению фактически используемых и поливаемых площадей на оросительных системах; особую тревогу вызывает то обстоятельство, что в 2000 г. из 56,0 тыс. га использованных орошаемых земель на местном стоке поливалась только 13,0 тыс. га, что составляет 23,2 %; фактически политые земли на государственных системах составили 56,8 %.
Основным показателем, характеризующим продуктивность орошаемых земель, является урожайность. При анализе урожайности интерес представляет сопоставление фактической урожайности культур на орошении с урожайностью на богаре и проектной (приложение А, таблица А.2). Как следует из приведенных в таблицах данных, проектная урожайность на орошаемых землях Ростовской области не достигнута и, более того, фактическая урожайность имеет четкую тенденцию к снижению.
Так за период с 1990 по 2000 гг. средняя фактическая урожайность зерновых составила 27,2 ц/га, а проектная 3 8,0 ц/га; озимой пшеницы соответственно 32,3 и 40,0; ярового ячменя - 24,7 и 35,0; риса 30,5 и 40,0; подсолнечника - 13,6 и 20,0; овощей - 83,1 и 170; кукурузы на силос - 138,6 и 350,0; многолетних трав на сено - 36,7 и 68,0; многолетних трав на зеленый корм -172,1 и 400,0 ц/га. Продуктивность кормовых культур в расчете на гектар снизилась с 44,3 в 1990 г. до 14,5 ц.к.е. в 2000 г. и составляет 32-35 % уровня 1990 г.
Анализ статистических материалов за период стабильного развития мелиорации (1970-1990 гг.) показывает, что при сохранении имевших место темпов развития орошения представлялось возможным создание крупных зон гарантированного производства сельскохозяйственной продукции. Сейчас, как и в прежние годы, основным производителем сельхозпродукции являются коллективные сельхозпредприятия. На их долю в Ростовской области приходится около 90 % производства зерновых культур; весь рис; 75-80 % производства технических культур; свыше 95 % производства кормовых культур /32/.
С началом реформирования АПК наблюдается тенденция к сокращению производства продукции. В 1991-1995 гг. среднегодовые темпы снижения производства продукции составили 10 %, и в 1995 г. объем производства снизился до 50 % уровня 1990 г. В последующие годы среднегодовые темпы снижения производства составили 3-4 %. На орошаемых землях производство продукции сократилось вдвое уже в 1993 г., что в определенной степени обусловлено большей ресурсоемкостью орошаемого земледелия.
Динамика производства основных видов продукции на орошаемых землях за последние годы представлена в приложении А, таблица А.З. Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном сокращении производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях /32/. Валовой сбор большинства культур в 2000 г. по отношению к 1990 г. снизился до 10-25%; исключением явилась озимая пшеница, по которой его величина сохраняется на уровне 1988 года. Практически прекратилось производство такой ценной зерновой культуры, как кукуруза на зерно; ее валовой сбор сократился со 130-120 до 3-5 тыс. т. Объем производства валовой продукции на орошаемых землях за последние 10 лет сократился практически в 4 раза, стоимость продукции с гектара снизилась в 3,2 раза. Столь существенное сокращение объемов объясняется изменением структуры использования орошаемых земель сокращением орошаемых площадей до 200-210 тыс. га и снижением урожайности сельскохозяйственных культур с 18-20 до 12-14 % доля продукции, получаемой на орошаемых землях.
В Российской Федерации в середине 80-х годов валовой сбор риса составлял 1200-1300 тыс. т. при урожайности 40-42 ц/га, что обеспечивало население страны необходимым количеством продукции /33/. В целом по России производство риса сократилось с 1048,6 до 324,4 тыс. т. (в 3,2 раза) и находится на уровне 60-х годов, а среднедушевое потребление отечественного риса составляет в пересчете на крупу около 1,5 кг при необходимом количестве 6 кг.
