shkolakz.ru 1 2
УДК 631.413.3



На правах рукописи




КАЛМАНОВА ГУЛЬЖАН КАЙЫРБЕКОВНА


ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРИНЦИПОВ ПРОМЫВКИ ЗАСОЛЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ В ТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ЗОНАХ


РЕФЕРАТ

магистерской диссертации на соискание академической степени

магистра сельскохозяйственных наук по специальности

6М080500 – Водные ресурсы и водопользование


Республика Казахстан

Кызылорда, 2013 г



Работа выполнена на кафедре «Водное хозяйство и землеустройство» политехнического института Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата



Научный руководитель:

кандидат технических наук,

доцент А.А.Сагаев



Официальный оппонент:



кандидат технических наук,

доцент Р.Молдаш





Ведущая организация



Кызылординский научно-исследовательский институт имени И.Жахаева





Защита диссертации состоится «___»_______________2013г.

Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата, политехнический институт, по адресу: г.Кызылорда, ул. Жахаева, 68, 4 учебный корпус, аудитория №209.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата

Введение

Актуальность темы. Начиная с середины XX века масштабы и сила воздействия антропогенной деятельности в результате мелиорации сельскохозяйственных земель настолько возросли, что обусловленные ими изменения экологических условий природной системы и в том числе ландшафтов, достигли глобального уровня. Сюда относятся изменение климата, истощение и ухудшение водных и земельных ресурсов, деградация почвенного покрова, потери устойчивости и стабильности агроландшафтов. Значительные нагрузки на почвенный покров геосистем привели к трансформации естественных почвенных процессов и, как ответной реакции, ее деградации, то есть изменились направления почвообразовательного процесса от сероземного к сероземному-луговому, луговому, лугово-болотному.


Деградационные изменения привели к нарушению эволюции геосистем и в ряде случаев потере ресурсо- и средовоспроизводящей функции ландшафтов. Это вызвано, с одной стороны, изменением качества и внутренней структуры ландшафта и его деградацией, с другой – несоответствием технологических воздействии на природный объект в связи с моральным и физическим старениями технологических систем, устройства механизмов и технологии, а также неадекватности учета последствий, возникающих в освоенном ландшафте, и это в наибольшей степени относятся к мелиорируемым агроландшафтам.

Общая тенденция современного развития природопользования и природообустройства в мире заключается в создании условии для стабильного управления биологическим и геологическим круговоротами воды и химических веществ в природной системе при антропогенной деятельности человека. Однако во второй половине XX века в связи с чрезмерным увеличением антропогенной нагрузки на агроландшафты планеты ограничения экологического характера стали играть определяющую роль в развитии системы «человек - природа». Для устойчивого развития природно-социальных систем стала очевидной необходимость установления гармоничных взаимоотношений между всеми компонентами окружающей природной среды и в перспективе – совместная их эволюция.

Поэтому, при мелиорации сельскохозяйственных земель всестороннего анализа природно-деятельностной системы как среды обитания человека, включающих биоклиматические оценки, как важного компонента жизнедеятельности, характеризующих комфортность природно-климатических условий, которые обеспечивают целенаправленную деятельность в условиях современного производства, являются одним из важных аспектов системы природообустройства. Это требует разработки новых принципов, методов и технологий адаптивно-ландшафтной мелиорации и экосистемного водопользования.

Цели и основные задачи исследований - из-за вторичного засоления территории орошаемых земель области выходят из эксплуатации в непригодность. Поэтому нужна разработка экологически безопасной технологии промывки засоленных земель, то есть проводятся промывки засоленных земель на основе «мягкого» управления природными процессами.


Основными задачами являются:

изучение механизма солеотдачи почв при различных режимах водоподачи;

изучение принципа формирования водно-солевого режима почв после промывки засоленных земель;

экологические проблемы реконструкции засоленных и техногенных нарушенных почв в системе природопользования.


Методы исследований. Правила «жесткого» управления при промывке засоленных почв, прежде всего, связаны с грубым «хирургическим» вмешательством в жизнь природных систем, что может привести к деструкции природного образования. Промывка засоленных почв на основе «мягкого» управления основан на разумном дозировании и регулировании техногенных нагрузок на природную систему.


Новизна работы. В отличие от «жесткого» управления «мягкое» управление основано на улучшение бывшей естественной продуктивности экологических систем или повышении плодородия почвы путем целенаправленной и основании на использованной объективных законов Природы.


Ожидаемые результаты. В результате промывки на основе «мягкого» управления природными процессами происходит рассоление почвы, экологическая обстановка территории остается неизменной.


Публикации. Данными исследованиями автор занимается с 2001 года. По результатам работы подготовлены и сданы в печать республиканских издании 18 статьи, а также получен патент на тему: «Способ промывки засоленных почв». Патент № 49480, выдан в 2007 г. Комитетом по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан /председатель М.О.Айкенов/.


Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, 57 наименований литературы, 87 страниц компьютерного текста, в том числе 16 таблиц, 3 рисунка и 11 приложении.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы.


В первой главе изучены основные закономерности формирования почв в техногенных нарушенных природных системах.

Были исследованы природно-климатические, почвенные, гидрохимические условия данной территории, а также гидрохимические характеристики источника орошения.

Территория хозяйства Аксуат относится к очень сухому, жаркому агроклиматическому району. Климат резко континентальный, с жарким сухим летом, холодной, с неустойчивым снежным покровом, зимой.

Сумма температур выше 10˚С составляет 3400-4000˚С, гидротермический коэффициент равен 0,1 - 0,3. Период с температурой воздуха выше 10˚С длится 175-195 дней. Безморозный период в воздухе устанавливается в конце первой-начале третьей декады апреля. Средняя продолжительность периода 160-205 дней. За период с температурой воздуха выше 10С выпадает от 35-125 мм осадков (среднегодовое количество – 115-130 мм).

Первые осенние заморозки наступают уже в первой декаде октября.

Зима короткая, с частыми оттепелями. Устойчивый снежный покров образуется во второй декаде декабря, высота его 10-25 см, запасы воды в снеге 30-60 мм. Устойчиво снег лежит 1,5-3,5 месяца. Теплообеспеченность сельскохозяйственных культур, возделываемых на территории данного хозяйства, не является лимитирующим фактором для выращивания овощных культур.

Возможный расход влаги на испарение за период вегетации возрастает до 1275-2985 мм.

К неблагоприятным явлениям погоды, которые наблюдаются на территории хозяйства, и приносят вред сельскому хозяйству, относится пыльные бури, суховеи, сильные ветры. Ветры на обследованной территории частые и сильные, преимущественно северо-восточного и северного направления от 6 до 15 м/сек, которые переносят с Аральского моря большое количество солей.

Территория хозяйства Аксуат находится в пустынной зоне, в подзоне бурых почв и занимает древнедельтовую аллювиальную равнину.

Почвенный покров формировался под влиянием паводковых разливов р.Сырдарьи.


В настоящее время на почвообразовательные процессы непосредственное влияние оказывают грунтовые воды, залегающие на глубине от 1,5 до 6 м, аридность климата, положительный солевой баланс и карбонатный фон.

На основании классификации института почвоведения Академии Наук Республики Казахстан и систематического списка почв равнинной территории Республики Казахстан, на обследованной территории выделены следующие типы почв:


  1. пойменно-луговые бурые почвы;

  2. пойменно-лугово-болотные бурые почвы;

  3. такыровидные почвы;

  4. солончаки;

  5. пески.

Гумуса в верхнем горизонте содержится от 0,20 до 1,58%.

Растительность представлена в основном галофитами. Характерным морфологическим признаком является наличие на поверхности почвы солевой корочки.

Анализ многолетних фондовых материалов по бассейну р.Сырдарьи показывают, что нарушение естественного режима р.Сырдарьи наблюдается с 1938 года под влиянием орошения. Тогда еще изменения минерализации воды реки были несущественными. До начала интенсивного развития ирригации и строительства крупных гидротехнических сооружений, в речной воде содержалось: минеральных веществ гидрокарбонатно-кальциевого состава в среднем от 0,25 г/л в верховьях до 0,50-0,60 г/л в низовьях реки. Изменения водности реки в отдельные годы очень слабо сказывались на минерализации от начального до замыкающего створа.

Основной причиной повышения минерализации речной воды является поступление в реку КДВ с орошаемых территорий и выклинивание минерализованных вод в русло реки.

Изменению гидрохимического режима также способствуют и водохранилища, хотя многие исследователи полагают, что в верхнем и среднем течении р.Сырдарьи они только сглаживают колебания минерализации внутри года, а роль Чардарьинского водохранилища, разделяющего среднее и нижнее течение р.Сырдарьи в увеличении минерализации, должна быть значительно выше, чем Каракумское, ввиду более интенсивных процессов солеобмена водных масс с почвогрунтами и грунтовыми водами чащи водохранилища.


В верхнем течении реки (с.Акжар по данным г/п Казгурт) среднегодовые концентрации основных загрязняющих веществ находились в пределах нормы. К устью реки качество воды ухудшается, что связано с интенсивным развитием орошаемого земледелия и животноводства. Максимальное содержание сульфатов превышало норму в 12,9 раз, меди в 4 раз, магния в 3,4 раза и нитритов в 4,3 раза. Состояние воды по сравнению с прошлым годом осталось без изменения. Индекс загрязнения воды (ИЗВ) составил – 2,72, и относится к 4 классу, загрязненная.

Основными загрязняющими веществами являются сульфаты, нитриты, медь и магний. Среднегодовые концентрации этих веществ превышало норму от 0,56 до 5 ПДК. Рост концентрации примесей отмечался в весенний период, во время смыва с поверхности земли загрязняющих веществ дождевыми потоками. Остальные ингредиенты находились в пределах допустимой нормы.

Важное значение в сохранении устойчивости ландшафтов имеют процессы саморегуляции. Под саморегуляцией понимается приведение геосистемы в устойчивое состояние в процессе функционирования – круговорота субстанции и излучения тепла, жизнедеятельности биоты и др. Саморегуляция обеспечивает относительное равновесие системы. При значительных нарушениях структуры геосистем роль саморегуляции снижается, но в полной мере она не может быть устранена.

В результате деятельности человека в сельскохозяйственных экосистемах прекратилось саморегулирование, являющееся характерным свойством природных экосистем. В последних осуществляется внутреннее регулирование, а сохранение или нарушение биологического равновесия зависят от того, насколько продуманно, компетентно и рационально происходит вмешательство человека. Основополагающей чертой природных экосистем является стремление к стабильности, что одновременно обеспечивает и сохранение в системе живых организмов. Вместе с тем экономические устремления часто приводят к осуществлению процессов, противоречащих основным закономерностям природных экосистем. Таким образом, характерной чертой настоящего времени является то, что экономическая система, стимулирующая интересы прибыли, обусловливает возникновение противоречий между интересами предприятий и интересами общества.


Анализ показывает, что одной из главных причин нарушения природного равновесия ландшафтов низовьев Сырдарьи является разбалансированность функций, проявляющаяся в сильном изменении параметров гидрогеохимического режима до и после интенсивных антропогенных воздействий. В последующем это обусловило отрицательную динамику плодородия почв. Последняя проявляется как в заметном уменьшении питательных элементов в почве под влиянием орошения и дренажа, так и в ухудшении водно-физических свойств почв, сильном засолении почв и грунтовых вод. Поэтому задача состоит в восстановлении удовлетворительного гидрогеохимического режима геосистем и проведении мелиоративных мер по улучшению свойств и плодородия почв.

Во второй главе представлены методика и условия проведения опытов в условиях Кызылординской области.

Полевые опыты проводились в 2009-2012гг. на территории хозяйства "Аксуат", с проведением отборов проб воды на химанализ и почв на содержание солей на глубину до 1,0 м, определение его механического состава, гумуса, и N.P.K.

Опытно-экспериментальные исследования проводились на обследуемой территории с определением скорости впитывания воды в почву методом рам.

Химический анализ почвы и воды источника орошения выполнялся в лаборатории Кызылординского филиала комитета экологии.

Для учета воды была выбран универсальный водослив Иванова, выполненный из металлической стали толщиной 2-4 мм.

Универсальный водослив Иванова – трапецеидальный водослив, имеющий форму выреза в виде равнобокой трапеции с наклоном боковых ребер 1 : 1.

Особенностью его является то, что он может работать как при свободном, так и при затопленном истечении и поэтому применяется на каналах с небольшими уклонами. Основные технические характеристики водослива: максимальный расход: Q = 0,435  м³/сек; максимальная скорость: v = 0,25 м/сек; минимальный перепад на водомере: 0,07в; максимальный перепад на водомере: 0,33в; амплитуда колебания уровня: (0,07 – 0,33)в; где: в - ширина порога водослива в = 0,5 м /28/.


Перед промывкой поверхность поля выравнили, глубоко обработали и разбили на три делянки, размеры каждой 2,4 х 2,4 м²: первая делянка – сплошная, а две другие делянки – борозды.

Полевые опыты закладывались в двух вариантах, то есть промывные нормы давались по чекам с помощью борозды (делянки №№ 2,3) и сплошного поливов (делянка № 1), для сравнения следующих данных:


  1. в каком из вариантов осуществляется экономия оросительной воды;

  2. эффект промывки, то есть при каком виде промывки быстрее происходит рассоление;

  3. в каком из вариантов быстрее затапливается чек.

Это мероприятие проводилось для получения следующих результатов: в первые три года – для проверки урожайности данной культуры в условиях засоленности почвы, а в последний год (на опытных делянках) – для сравнения, другими словами, как же влияет промывка засоленных земель на урожайность сельскохозяйственных культур.

По результатам экспериментальных данных, химический анализ почвы, был и построены эпюры, где четко выделяется разница химического состава почвы как до промывки так и после промывки засоленных земель.

Полевыми исследованиями доказаны, что независимо от природных биоклиматических условий основным объектом мелиорации является почва, поэтому выбор технологии промывки, то есть конкретного инженерного решения, определяется генетическими, физическими свойствами и гидротермическими режимами почвы. В связи с этим основа разработки экологически безопасной технологии промывки засоленных земель, которая направлена на улучшение почв, должна быть адекватна генетическим свойствам почв и почвообразующих пород, природно-климатическим и ландшафтно-геохимическим условиям. Поэтому экологически безопасная технология промывки засоленных почв должна быть ориентирована на «мягкое» управление природой, которое обеспечивает необходимость гармоничного сочетания интенсивности геологического круговорота воды в процессе промывки с природными режимами ландшафта. При этом следует помнить и о правилах мер преобразования природных систем, согласно которым в ходе преобразования нельзя переходить некоторые пределы, чтобы не уничтожить свойства самоподдержания. Таким образом, основной концепцией в разработке экологически безопасной технологии промывки засоленных земель является: ландшафтно-геохимический принцип оценки использования и охраны природных ресурсов; альтернативное и адаптированное применение инженерных решений без противопоставления их друг другу; социально-экономическая заинтересованность землепользователей в высокоэффективном использовании орошаемых земель, сохранении и повышении их плодородия.


Выполнение этих положений при освоении засоленных почв и реминации вторичных засоленных земель позволяет сохранить и восстановить экологическое равновесие природной системы; избежать шаблонной системы промывки при освоении засоленных земель и рационального использования природных ресурсов; организовать дифференцированное и разноплановое использование орошаемых земель с учетом их природных свойств и режимов.

Параметр модели, который описывает, природный процесс при промывке засоленных почв имеет пределы, в которых должны находиться. При этом, так как любая точка интервала может равновероятно претендовать на истинное значение параметра модели, в связи с этим встает вопрос о методах нахождения оценки параметров модели, минимизирующий навязку между измеренными и рассчитанными фазовыми траекториями процесса промывки засоленных почв.

Одно из основных проблем имитационного моделирования заключается в оценке неизвестных параметров, входящих в уравнения модели промывки засоленных почв. Как известно, любая модель описывающих природный процесс содержит то или иное количество неизвестных числовых величин, называемых параметрами модели, от выбора которого зависит ее работа, то есть та точность, с которой вычисленные фазовые траектории совпадают с измеренными в комплексном полевом и лабораторном эксперименте.

Этому вопросу, как правило, отводится значительная часть работы, связанная с идентификацией модели, так как точность оценки параметров солепереноса могут быть получены только на основе решения оптимизационных задач.

В процессе промывки засоленных почв наблюдаются следующие природные явления (рисунок 1):

- процесс растворения – период полного насыщения почвенного слоя или заполнения промываемого слоя водой, то есть времени движения переднего фронта инфильтрующейся воды от дневной поверхности до нижнего фронта промываемого слоя почвы и растворения кристаллических солей «активных» и «тупиковых» порах почвы, где параметр солеотдачи α →max;


- процесс рассоления – период вытеснения активного солевого раствора вместе с инфильтрующейся водой, то есть времени прохождения заднего фронта промываемой воды через нижний фронт промываемых солей почвы, где параметр солеотдачи α →min;

- процесс обессоливания – период вытеснения пассивного солевого раствора из промываемого слоя почвы вместе с инфильтрующейся водой, где параметр солеотдачи α →max.




Рисунок 1 - Зависимость параметра солеотдачи от объема промывных норм

Ось абсцисс – параметр солеотдачи; ось координат – промывная норма, тыс.м³/га.


При этом остается установить, в каком случае средние значения коэффициента солеотдачи (α) логарифмических функции выщелачивания солей при поверхностном фильтрации воды в почве точно описывает их: при систематизации их по процессам или по отдельным процессам.

При промывке засоленных почв возникают в основном два типа экологических проблем, то есть, во-первых, сохранить направленность почвообразовательного процесса, во-вторых, при утилизации коллекторно-дренажных вод обеспечить экологическую устойчивость геосистемы.

В проведении промывки засоленных почв техническое воздействие имеет тенденцию превращаться в перманентные и все более усиливающиеся, вплоть до полной замены саморегуляции природных систем техногенным регулированием. Эти природные процессы происходят в условиях несоответствия интенсивности подачи воды при промывке засоленных почв :


 =  , (1)

c интенсивностью впитывания воды в почву :



 = , (2)


то есть  > , причем во временном масштабе постоянно будет увеличиваться (где: N – расчетная промывная норма; t – продолжительность промывки;  - коэффициент фильтрации;  – скорость впитывания в конце первого часа;  – коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств почвы).

Поэтому, с экологических позиций промывку засоленных почв необходимо проводить на основе «мягкого» управления природными процессами. В отличие от «жесткого» управления «мягкое» управление, основано на улучшении бывшей естественной продуктивности экологических систем или повышении плодородия почвы путем целенаправленной и основанной на использовании объективных законов Природы.

В третьей главе дано эколого-экономическое обоснование промывки засоленных земель.






Засоление почв в аридной зоне является одним из главных факторов, снижающих продуктивность орошаемых земель. Оно возникает за счет перераспределения легкорастворимых солей, накопленных в толще четвертичных отложений в геологическом периоде их формирования. Процесс перераспределения запасов солей и засоление почв зависят от многих климатических, геологических и гидрогеологических условий. Чем суше и континентальнее климат, тем больше степень засоления. Сильнозасоленные почвы чаще всего встречаются в пустынных и полупустынных зонах, а с переходом в степную зону степень засоления несколько ослабевает.


Процесс соленакопления почв тесно связан с геоморфологическими, гидрогеологическими условиями, а при развитии орошения и с качеством оросительной воды.

На землях при орошении обычно нарушается баланс грунтовых вод. Увеличение инфильтрационного питания при отсутствии или слабой естественной дренированности территории вызывает подъем грунтовых вод. Скорость подъема зависит от величины инфильтрационного питания и естественной дренированности: чем больше питание и меньше дренированность территории, тем больше скорость подъема уровня подземных вод.

Другим источником соленакопления в аридной зоне служит оросительная вода, в составе которой содержится определенное количество легкорастворимых солей. Интенсивность соленакопления за счет оросительной воды также зависит от объема водоподачи и минерализации и может составить 15-20 т/га в год. В современных условиях засоление почв за счет оросительной воды приобретает более опасный характер из-за возврата части коллекторно-дренажного стока в реки. В этом отношении наиболее опасной зоной являются земли, расположенные в среднем и нижнем течении рек, где минерализация воды в отдельные месяцы достигает 1,5-2,5 г/л. При этом наиболее сильное засоление, как по охвату площади, так по степени соленакопления в почвенном слое имеют земли, расположенные в низовьях Сырдарьи, где УГВ залегает близко к поверхности земли, и оросительная вода имеет более высокую минерализацию >1.0 г/л. В этих условиях, в основном, формируется поверхностное засоление с накоплением солей в 1-1.5 м слое.

Засоление, угнетая рост и развитие растений, наносит определенный ущерб урожайности сельхозкультур, для предотвращения которых расходуются огромные материально-технические и водные ресурсы.

Величина потери урожайности в результате засоления зависит еще от многих других факторов: увлажненности почвы, содержания и химического состава солей, солеустойчивости сельхозкультур.

В нашей области, в том числе и исследуемая площадь орошаемых земель представлена трудномелиорируемыми сильнозасоленными почвами, обладающими грунтами с тяжелыми механическими составами и с слабой проницаемостью. Почвы с такими характеристиками трудно поддаются к рассолению при обычной промывке ускорение процесса опреснения сильнозасоленных трудномелиорируемых земель и снижение затрат оросительной воды невозможны без специальных мероприятий, способствующих увеличению фильтрации воды и усилению отвода соленых


дренажных вод с промываемой площади.

В результате промывки на основе «мягкого» управления природными процессами на опытном участке сложился благоприятный отрицательный солевой баланс. Правомерность этого предположения хорошо иллюстрируется данными по изменению засоления почвы. Таким образом, промывка тяжеловодопроницаемых засоленных почв, основанная по данной технологии, аналогично описанной выше, позволяет добиться равномерного опреснения почвогрунтов по площади промываемого участка на глубину 1,5м., увеличить глубину рассоления почв до 3 м и значительно ускорить темпы ввода этих земель в сельхозоборот. Основным преимуществом этой технологии рассоления является водосбережение на промывку, экономия оросительной воды до 5.0 тыс.м³/га при сокращении продолжительности полива до 15-20 %.

Говоря о промывке засоленных земель, нельзя не учитывать режим грунтовых вод на промываемых полях, так как последний, наряду с другими факторами, определяет эффективность промывки. Грунтовые воды на участке перед промывкой залегали на глубине около 3 м. Наблюдения показали, что при подаче воды довольно быстро затопляется свободная емкость, составляющая в зоне аэрации около 2500 м³/га, после чего грунтовые воды поднимаются до поверхности. С этого момента промывка значительно замедляется, так как при низких фильтрационных свойствах почвогрунтов опытного участка основной объем воды идет на испарение с открытой водной поверхности.

Анализ результатов наблюдений показывает, что для рассматриваемых условий наиболее оптимальным режимом промывки является дробная подача воды отдельными поливами. Разовая норма колеблется от 2,5 тыс.м³/га при последующих, подаваемых при снижении уровня грунтовых вод на 1-1,5 м ниже поверхности поля. При таком режиме промывку целесообразнее осуществлять под покровом культур-освоителей, используемых как сидераты. Под влиянием применяемого мелиоративного мероприятия (технология промывки на основе «мягкого» управления природными процессами) резко улучшились показатели водно-физических свойств почв.


В современных условиях при дефиците материально-технических и особенно, водных ресурсов, по результатам натурных исследований и реализации их на массивах наиболее эффективным приемом рассоления почв и опреснения грунтовых вод является данный вид промывки, который рассчитан на рассоление почв и опреснение грунтовых вод, тем самым обеспечивает наименьшее экологическое воздействие на орошаемые территории и окружающую среду. Обязательным условием повышения эффективности эксплуатационных промывок является обеспечение на орошаемых землях высокой работоспособности дренажных систем при соблюдении четкой технологии их проведения.



следующая страница >>