Повышение эффективности технологии лиманного орошения за счет комплексного использования вод оросительных систем и местного стока

Кузьмичев, Александр Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Повышение эффективности технологии лиманного орошения за счет комплексного использования вод оросительных систем и местного стока
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности технологии лиманного орошения за счет комплексного использования вод оросительных систем и местного стока"

На правах рукописи

Кузьмичев Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЛИМАННОГО ОРОШЕНИЯ ЗА СЧЕТ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОД ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И МЕСТНОГО СТОКА

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПАЙ 2014

Новочеркасск - 2014

005547861

Работа выполнена в ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт

проблем мелиорации»

Научный руководитель: Гостищев Вячеслав Дмитриевич

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Официальные оппоненты: Кравчук Алексей Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова», профессор кафедры «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»;

Свистунов Юрий Анатольевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Комплексные системы водоснабжения»

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костикова

Защита диссертации состоится «02» июня 2014 г. в 10 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр. Университетский, 26, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» и на сайте www.voIgau.com

Автореферат разослан апреля 2014 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Эффективность лиманного орошения (ЛО) неоднократно была доказана в ходе мелиоративного освоения засушливых районов Ростовской, Волгоградской, Астраханской областей и в целом ряде других особо значимых в плане ведения орошаемого земледелия районах.

Изменчивость стока по годам является серьезным недостатком при использовании его в качестве источника орошения, так как в связи с ежегодным изменением объема стока меняются размеры орошаемой площади. В некоторые годы объем весеннего стока настолько велик, что вызывает половодья, разливы, эрозию почвы. В другие годы он вообще может отсутствовать.

Дефицит водных ресурсов, низкая частота повторяемости паводков на фоне высокой зависимости величины площадей лиманного орошения от природно-климатических факторов зачастую приводят к тому, что значительные площади лиманов остаются не политыми и не обеспечивают сельхозтоваропроизводителей потребностью в орошаемых землях.

В то же время только в Ростовской области потери воды на территории, обслуживаемой оросительными системами, составляют диапазон величин от 45 до 70 млн м3. Эти потери складываются из непроизводительных потерь вод местного стока, которые не вовлекаются в процесс орошения, что приводит к развитию процессов водной эрозии, деградации орошаемых плошадей, заболачиванию приканальных территорий (весенний период) и объемов технологических сбросов, образующихся при заполнении (весенний период) и опорожнении (осенний период) каналов оросительных систем.

Перспективным решением этой актуальной проблемы является комплексное использование вод местного стока и технологических сбросов на площадях лиманного орошения за счет разработки новых конструктивных решений ярусных приканальных лиманов.

Степень разработанности темы. Исследованиям в области применения лиманного орошения посвятили свои работы Б. Б. Шумаков, Н. С. Тимченко, Г. А. Штокалов, В. И. Гниненко, В. М. Волохов, В. Ф. Мамин, В.А.Нагорный,

Б. И. Туктаров, А. В. Кравчук, Б. А. Биримкулова, Э. Б. Дедова, С. А. Подмарев, Н. J. Bruins, М. Evenari, U. Nessler и другие. Оценивая практические результаты этих работ, следует отметить высокий экономический эффект от внедрения лиманного орошения в засушливых районах нашей страны. Многие ученые-мелиораторы в своих работах отдают приоритет использованию ярусных лиманов среднего и мелкого слоя затопления с нормой орошения, не превышающей 3500 м3/га.

Однако перспектива внедрения ярусных лиманов в зонах действия существующих оросительных систем не достаточно изучена, отсутствуют современные теоретические проработки возможности расширения поливных площадей за счет использования ресурсов местного стока, не проводятся работы по совершенствованию конструкций таких систем и технологий орошения. Все это не позволяет наиболее полно и эффективно использовать почвенные и водные ресурсы в производственной сфере мелиоративного комплекса и ставит обозначенную проблему в разряд актуальных научных исследований.

Цель работы. Увеличение продуктивности орошаемых земель за счет повышения эффективности технологии лиманного орошения на основе комплексного использования ресурсов местного стока и технологических сбросов с оросительных систем.

Задачи исследований:

1) изучить существующие мероприятия по рациональному использованию вод местного стока и технологических сбросов с оросительных систем;

2) обосновать целесообразность аккумулирования вод местного стока и подачи технологических сбросов в системы ярусных лиманов при производстве кормовых культур и уточнить размеры дополнительно вовлекаемых в орошение площадей;

3) определить значение оптимального процента обеспеченности стока, на который следует проектировать системы ярусных лиманов, использующих комплексный источник орошения;

4) разработать алгоритм принятия решения по выбору участка для реализации технологии лиманного орошения с комбинированным источником орошения в районе функционирования оросительных систем;

5) разработать конструктивно-технологическое решение устройства систем ярусных лиманов с возможностью подачи воды в безнапорном и напорном режимах;

6) провести полевые исследования и установить оптимальное использование на площадях лиманного орошения вод технологических сбросов и вод местного стока культурами кормового севооборота. Изучить динамику сработай влагозапасов.

Научная новизна работы состоит в прогнозе потенциальной площади лиманного орошения земель юга Ростовской области при использовании вод местного стока и технологических сбросов с оросительных систем, определении оптимального процента обеспеченности стока при устройстве ярусных лиманов с комбинированным источником орошения на основе энергетической оценки возделывания кормового севооборота.

Новизна технических решений: предложена конструктивно-технологическая схема устройства ярусных лиманов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Осуществлено теоретическое обоснование конструктивно-технологических схем лиманного орошения, функционирующих совместно с оросительными системами. Установлены прогнозные зависимости для определения оптимального процента обеспеченности стока при устройстве ярусных лиманов. Даны практические рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании новых и реконструкции существующих оросительных систем для условий юга Ростовской области.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных законов и методов математического анализа. Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с действующими методическими требованиями и отраслевыми стандартами. Обработка полученных результатов осуществлялась методами математической статистики с применением компьютерного моделирования исследуемых процессов.

Положения, выносимые на защиту:

- алгоритм принятия решения о возможности организации лиманного орошения и классификация потенциальных участков земель в зависимости от вида сельскохозяйственного использования участка;

- конструктивные решения и расчетные параметры для совершенствования ярусных систем лиманного орошения;

- расчетные зависимости по выбору оптимального процента обеспеченности стока при проектировании ярусных систем лиманного орошения с учетом оценки энергетической эффективности.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточным объемом экспериментального материала, применением стандартных методик математико-статистической обработки данных, удовлетворимой сходимостью экспериментальных и теоретических данных, критическим анализом и заключением экспертов. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях ФГБНУ «РосНИИПМ» (Новочеркасск, 2010, 2011, 2012). Результаты научных исследований были учтены при разработке проекта свода правил «Мелиоративные системы и сооружения. Эксплуатация. Правила эксплуатации систем лиманного орошения» ФГБНУ «РосНИИПМ» в 2012 году.

Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ - 3, и одной монографии. Получен патент на изобретение № 2467561 МПК (7) А 01 О 25/00. Общий объем опубликованных работ составляет 2,51 п. л., из них 2,48 п. л. принадлежит автору.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» обоснована актуальность, изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, достоверность научных исследований и методология их проведения, практическая апробация полученных результатов.

В первой главе «Современное состояние вопроса и актуальность направления исследований» приведена история развития лиманного орошения и его современное состояние. Установлены особенности местного стока при использовании его в качестве источника орошения. Освещен опыт использования сбросных вод с оросительных систем для целей орошения. Приведены существующие конструктивно-технологические схемы устройства систем лиманного орошения, а также основные принципы их проектирования.

Как отмечают в своих публикациях Б. Б. Шумаков, В. Н. Щедрин,

A. В. Колганов, В. И. Ольгаренко, Ю. П. Поляков, М. С. Григоров, И. П. Кружилин,

B. В. Бородычев, Ю. А. Свистунов и другие ученые, повышение эффективности водопользования и использования орошаемых земель представляет собой актуальную проблему при решении задач восстановления и развития оросительных мелиораций не только в Ростовской области, но и в масштабах всей страны.

В настоящее время имеющиеся возможности для развития лиманного орошения не используются. Отсутствуют современные проработки поставленной проблемы. Большие территории лиманов не эксплуатируются, потенциал местного стока и технологических сбросов не используется. В аспекте реализации платной государственной услуги по подаче воды на орошение и в рамках перспективы платы за воду, как за товар, ресурсы местного стока и непроизводительные технологические сбросы с оросительных систем представляют собой дополнительный дешевый источник влаги. Рациональное использование этих вод на основе усовершенствованных конструктивно-технологических схем лиманного орошения открывает возможности расширения орошаемой площади. Такой подход позволяет практически решить несколько задач -использовать местный сток и предотвратить развитие водной эрозии, саккумулиро-вать твердый эрозионный сток, содержащий питательные вещества, в границах лиманов, с пользой использовать воды технологических сбросов.

Рассматривая местный сток, как источник воды для орошения, необходимо учитывать специфику его формирования и распределения по водосборным площадям. При этом важным является вопрос выбора оптимального процента обеспеченности стока, на использование которого необходимо рассчитывать систему лиманного орошения при комплексном использовании вод местного стока и технологических сбросов с оросительных систем.

Постановка решения данной проблемы для условий Ростовской области никем не рассматривалась и научно не прорабатывалась, несмотря на то, что имеет все перспективы для своей реализации в современной экономической ситуации.

Во второй главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приводятся природные, климатические и организационно-хозяйственные условия района исследований. Определены программа и методика проведения исследований, а

также схема и алгоритм проведения полевых экспериментов. Исследования проводились в Мартыновском районе Ростовской области на территории, примыкающей к Донскому магистральному каналу.

Для расчета объема талых вод с водосборных площадей использовались «Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений», разработанные Государственным гидрологическим институтом в 2009 г.

Для обоснования выбора оптимального процента обеспеченности стока производилась энергетическая оценка технологии возделывания культур в кормовом севообороте на фоне лиманного орошения на разные проценты обеспеченности стока с заданным шагом. Для энергетической оценки использовалась «Методика энергетической оценки агротехнологий в агроландшафтах», разработанная Российским государственным аграрным университетом имени К. А. Тимирязева в 2006 году.

Полевые исследования проводились на посевах люцерны в условиях орошения с использованием рекомендаций и методик Б. А. Доспехова и др. Учет урожая биомассы люцерны проводили методом сплошной уборки со всей площади делянки. Водно-физические свойства почвы (плотность почвы, удельный вес, скважность и наименьшая влагоемкость) определяли по методике, изложенной в «Мелиоративном почвоведении». Влажность почвы определяли термосгатно-весовым методом. Для построения геометрических образов исследуемых функций отклика использованы методы линейной алгебры с привлечением стандартных пакетов лицензионных прикладных программ Statistica, Excel и Mathcad.

В третьей главе «Теоретическое обоснование устройства и эксплуатации технологии лиманного орошения с комбинированным источником орошения» выполнено обоснование целесообразности использования ресурсов местного стока на системах ярусных лиманов, сделано теоретическое уточнение и прогнозирование размеров дополнительных площадей лиманного орошения при комплексном использовании вод оросительных систем и местного стока. На основании оценки энергетической эффективности организации лиманного орошения обоснован выбор оптимального процента обеспеченности стока при использовании комплексного источника орошения в зависимости от структуры культур в севообороте.

Для обоснования целесообразности использования ресурсов местного стока, а так же прогнозирования размеров дополнительной орошаемой площади были определены гидрологические характеристики талого и дождевого стоков для условий юга Ростовской области, построены кривые обеспеченности, рассчитаны гидрографы стока.

На основании проведенных расчетов оценен объем местного стока, который возможно использовать для целей лиманного орошения. Оценка химического состава вод местного стока показала пригодность применения его для целей орошения.

Проведено теоретическое уточнение и прогнозирование размеров дополнительных площадей лиманного орошения при использовании комплексного источника орошения, определены размеры водосборных площадей, прилегающих к пяти наиболее крупным магистральным каналам Ростовской области (Донской, Нижне-Донской, Пролетарский, Верхне-Сальский, Азовский). Размер водосборной площади определялся на основании имеющегося картографического материала и с применением геоинформационных систем.

Согласно полученным данным общая, водосборная площадь составила 3951 км2, при этом среднемноголетний объем талых вод с данной водосборной площади - 68,1 млн м3. Такого объема воды при норме орошения 1500-2500 м3/га достаточно для организации систем лиманного орошения общей площадью от 26 до 45 тыс. га, что составляет 22-25 % площади орошаемых земель на данных оросительных системах.

Суммарный объем технологических сбросов с исследуемых оросительных систем составил 45,4 млн м3. Такого объема воды достаточно для организации систем лиманного орошения общей площадью от 18 до 30 тыс. га или 10-17 % площади всех орошаемых земель на данных оросительных системах.

Полезное использование воды, ранее непроизводительно сбрасываемой при опорожнении каналов на зимний период, позволяет повысить коэффициент использования воды на исследуемых оросительных системах.

При проектировании систем лиманного орошения важным вопросом является выбор оптимального процента обеспеченности стока. При этом возникает необходимость выбора такого процента обеспеченности стока, при котором совокупные энер-

гетические затраты на возделывание культур в севообороте компенсировались бы совокупной энергетической прибавкой урожая на фоне лиманного орошения.

Для решения данной задачи проведено исследование вопроса оптимизации выбора процента обеспеченности стока. Процесс выбора оптимального процента обеспеченности стока представлен на рисунке 1.

Для проведения исследований был принят кормовой шестипольный севооборот: 1, 2, 3 - люцерна; 4 - суданская трава на сено; 5 - кукуруза на силос; 6 - сорго на корм. Удельная площадь орошения принята в размере 100 га, удельная водосборная площадь - 250 га, уклон - 0,003, норма лиманного орошения - 2500 м3/га.

Исходными данными для определения затрат послужили принятые технологические карты возделывания культур в севообороте, а также технологическая карта устройства системы лиманного орошения.

В качестве показателя оптимизации выбран срок окупаемости энергетических затрат на реализацию лиманного орошения, который должен стремиться к минимуму:

ТЕ

Т = ^--Ч-->min, (1)

Хад-ЕДр)

где Т - функция цели (показатель оптимизации);

^Е. — капитальные энергетические затраты на устройство системы лиманного орошения;

^D(p) - ^/(/>)- энергетический эффект при организации JIO;

^D(p) - энергетическая ценность прибавки урожайности при организации JIO;

£ 1(р)- энергетические затраты, связанные с освоением и использованием системы JIO.

Числитель дроби в выражении (1) при заданных условиях остается неизменным. Следовательно, на решение задачи влияет величина знаменателя, которая должна стремиться к максимуму D(p) - £ 1{р) —> шах ).

Энергетическая ценность прибавки урожайности при организации лиманного орошения ^D(p) рассчитывается как сумма энергетических ценностей прибавок урожайности от каждой культуры принятого севооборота.

Требования

рынка Характеристика

Экономист

Агроном

Подобрать культуры в севооборот

с.-х. культур

Режим

орошения

Статистические

Энергетическая и экономическая оценка мероприятий

данные

Агроном

Инженер

Установление зависимостей урожайности от обеспеченности года осадками (Р, ?о) при ЛО и на богаре

Изыскания.

Проект. Внесение.

Метеоданные

Почвенно-климатиче-ские условия

Инженер

Методики расчета

• Расчет и установление зависимостей энергетической ценности

прибавки урожая при ЛО по сравнению с богарой (Т^О(р)} в зависимости от Р,

0х,

Инженер

Методики расчета

Определение оптимального проиента обеспеченности стока при комплексном использовании вод оросительных систем и местного стока

Программное обеспечение ЭВМ

Характеристики технических

средств для возделывания с.-х. культур

Инженер

Методики расчета

Расчет и установление зависимостей энергетических затрат на возделывание культур принятого севооборота Цр)) в зависимости Р, °о

/—\ X;

(¿и

Наименьший энергетический эффект от одной культуры

Ооьем

местного

стока

Характе-ристики

ПНС Затраты на изыскание.

проектирование, строительство

Ооьем технологических сбросов

Рисунок 1 - Процесс выбора оптимального процента обеспеченности стока

XD(p) = Д,(p) + D,2(p) + Д,(p) + Dc(p) + D (p) + Д. (p). (2)

Энергетические затраты, связанные с освоением и использованием системы лиманного орошения £ /(/>), рассчитываются как сумма энергетических затрат на возделывание каждой культуры принятого севооборота.

х 1(р)=/„ (р)+/ 2 (р)+/ з (р)+/ (р)+IK (р)+1СР (р). (3)

Затраты на возделывания каждой культуры в севообороте /.(/>) складываются из затрат на технологию возделывания Ei и затрат на закачку недостающей воды из расположенного рядом резервуара сезонного регулирования ^Л/Др), в котором концентрируются технологические сбросы. При этом с увеличением объема недостающей воды, возрастают энергетические затраты, что учитывается при расчете:

/Др) = Е,+£М,(р). (4)

Энергетические затраты на технологию возделывания сельскохозяйственной культуры Е, определяются как сумма энергетических затрат на выполнение отдельных операций и рассчитываются по методикам энергетической оценки аг-ротехнологий в агроландшафтах и оценки эффективности капитальных вложений в орошаемом земледелии.

Энергетические затраты на подачу воды зависят от характеристик

выбранной насосной станции. Для проведения теоретических расчетов нами были выбраны три передвижные насосные станции СНП 50/80, СНП 120/30 и СНП 300/7.

На основании полученных данных установлена зависимость энергетической ценности прибавки урожайности при организации лиманного орошения:

Y,D{p)=- 0,03х2 +66х+5527,5, R2 = 0,96. (5)

Общие энергетические затраты на возделывание культур выбранного севооборота для выбранных насосных станций представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Зависимости общих энергетических затрат от Р %

№ п/п Насосная станция Функция зависимости энергетических затрат от Р %

1 СНП 50/80 £/(/>) = 43,Зх2 - 6599х + 252246,R2 = 0,92

2 СНП 120/30 £/(р) = 43х2 - 6559,Зх+ 250747, R2 = 0,90

3 СНП 300/7 £/(р)=42,7х2 - 6513,8х+ 249027, R2 = 0,87

Далее для определения значений, при которых ^D(p)- —> max ,

установлены зависимости энергетического эффекта при организации лиманного орошения от процента обеспеченности стока для каждой насосной станции: 1)СНП 50/80:^D(p)-= -43,33х2 +6665х- 246719;

2) СНП 120/30: -£/(;?) =-43,03х2+6625,4х- 245200;

3) СНП 300/7:^D(p) —^I(p) = -42,73х2+ 6579,8х - 243499.

Для определения интервала значений процента обеспеченности стока, при котором функция ^D(p) - X 1(р) будет стремиться к максимуму, необходимо определить минимальный положительный эффект от возделывания одной культуры в севообороте. При этом интервал оптимальных значений процента обеспеченности стока будет лежать между точками пересечения прямой, проходящей через точку максимума функции энергетического эффекта от возделывания одной культуры в севообороте, с функцией энергетического эффекта при возделывании культур всего севооборота. Математический анализ проводился для каждой из культур принятого севооборота. Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Таблица 2 — Определение интервала значений процента обеспеченности стока Р %

№ п/п Насосная станция Культура Функция зависимости энергетических затрат от Р % Значение точек пересечения (Р%)

1 СНП 50/80 Суданка на сено Dc(p)-Ic(p) = -7,3х 2 +1106х -40718 XI = 69,7, Х2 = 81,3

2 СНП 120/30 Суданка на сено °с (Р) - ¡ЛР) = "7,2х 2 + 1099,4х - 40469 xi =64,8, Х2 = 83,9

3 СНП 300/7 Суданка на сено DAP)~ К (Р) = "7,2х 2 + 1092,4х - 40182 xi = 61,2, Х2 = 9\,0

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что функция зависимости энергетического эффекта при организации лиманного орошения от процента обеспеченности стока / = имеет максимум в диапазоне

значений от 61 до 91 % обеспеченности стока, который достигается при использовании низконапорной передвижной насосной станции СНП 300/7 при возделывании выбранного севооборота.

В четвертой главе «Разработка и практическая реализация конструктивно-технологических схем ярусных лиманов» разработан процесс принятия решения при организации лиманного орошения, получены конструктивные решения систем ярусных лиманов и обоснованы их параметры, даны рекомендации производству, приведены результаты и анализ экспериментальных данных.

С учетом специфики хозяйственного использования территорий и количественных значений критериев разработана конструктивно-технологическая схема оросительной системы, позволяющая комбинированно использовать воды местного стока и технологические сбросы. Данная разработка подтверждена патентом РФ № 2467561, МПК (7) А 01 в 25/00.

Оросительная система с использованием местного стока работает следующим образом (рисунок 2).

Для проведения поливов затоплением весной во время паводка, а также во время ливневых дождей, используют поступающие воды местного стока с вышерасположенной водосборной площади при закрытом положении задвижек дифференцированных узлов водораспределения «Д» 1 на прудах-распределителях 2 и открытом положении всех подпорно-регулирующих сооружений 3 на орошаемом участке. После заполнения верхних частей полей А и Б, при подъеме уровня воды выше верха первого ряда поперечных водоудерживающих валиков 4, вода переливается через них и наполняет поливные безуклонные каналы 5, заполнив которые, равномерно переливается по всей их длине, и происходит затопление нижерасположенной части полей до следующего ряда водоудерживающих валиков на границе полей А-В, Б-Г и далее аналогичным образом, до попадания в сбросной канал 6.

При поливе затоплением, в случае отсутствия или недостатка местного стока с водосборной площади, вода подается по закрытому распределителю двухстороннего действия 7 в напорном режиме через дифференцированные узлы водо-распределения «Д» (рисунок 3).

При этом затопление верхней части полей начинают с пониженных участков, открывая задвижку 8 на водовыпуске-водоспуске 9, а затопление нижней части полей начинается с верхних участков путем перелива воды из поливных каналов.

Для решения задачи по повышению эффективности использования местного стока и оптимизации расчета параметров ярусных систем составлена блок-схема и разработан алгоритм (рисунки 4,5).

Для предварительного технико-экономического обоснования устройства лиманного орошения и упрощения определения параметров ярусов лиманов были построены номограммы зависимости высоты вала от преобладающих уклонов на территории участка.

Полученные графики позволяют определить параметры системы лиманного орошения на предпроектном этапе без проведения трудоемких аналитических расчетов.

Для проведения полевых исследований выбрана культура - люцерна. Для обеспечения влагозарядкового полива под выбранную культуру была принята норма орошения 2500 м3/га. Исходя из уклона местности 0,0028, расчетная высота вала составила 0,50 м при слое затопления 0,25 м. С учетом рельефа площадь каждого яруса лимана составила 3,2 га. В период проведения исследований водный режим почвы складывался под влиянием метеорологических условий и оросительной нормы.

На участках комбинированного орошения были реализованы следующие варианты затопления территории лиманов (таблица 3).

Рисунок 2 - План типового орошаемого участка

Рисунок 3 - Узел «Д» — дифференцированный узел водораспределения

где Ls - длина водосбора, м; Нпшх, Нтп - максимальные и минимальные отметки водосбора, м; ¡mu, 'min ~ максимальные и минимальный уклон водосбора, к - средняя скорость впитывания, мм/мин; /-продолжительность затопления водой, мин; h - слой стока заданной обеспеченности, мм; i - уклон водосбора; Кф - коэффициент фильтрации, мм/мин; Уфакт -фактический объем стока, м3; Уши - проектный объем заполнения, м3; L,UM - проектная длина вала, м; - проектная глубина яруса, м^ hçmp — строительная высота вала, м.

Рисунок 4 - Блок-схема определения конструктивных параметров системы ярусных лиманов

Рисунок 5 - Алгоритм расчета конструктивных параметров системы ярусных лиманов

Таблица 3 - Режим затопления экспериментальных участков при норме 2500 м3/га

Год Источник затопления Сроки затопления экспериментальных участков Богара (контроль)

Участок А Участок Б Участок В

2010 Местный сток - - - -

Технологические сбросы с оросительной системы 12.10-15.10 13.10-16.10 - -

2011 Местный сток 16.03-19.03 - 14.0317.03 -

Технологические сбросы с оросительной системы 10.10-13.10 12.10-15.10 - -

2012 Местный сток 14.03-17.03 - 12.0315.03 -

Технологические сбросы с оросительной системы 15.10-18.10 15.10-18.10 - -

2013 Местный сток 13.03-16.03 - 13.0316.03 -

Технологические сбросы с оросительной системы - - - -

При этом за четыре года исследований участок А затапливался водами местного стока во время прохождения весеннего паводка и технологическими сбросами осенью.

Участок Б затапливался только технологическими сбросами. Участок В затапливался только водами местного стока. Контроль осуществлялся на не обвалованном участке в богарных условиях.

Установлено, что влажность почвы на участке А находилась на уровне 80100 % от НВ, что было достаточно для роста и развития люцерны. Двукратное затопление водами местного стока и технологическими сбросами вызвало повышение уровня грунтовых вод, что отразилось снижением урожайности люцерны. Средняя урожайность биомассы люцерны составила 56,93 т/га.

На участке Б в полузасушливый 2011 и засушливый 2013 годы затопление технологическими сбросами в осенний период не обеспечило оптимальную влажность почвы для роста и развития люцерны. Во влажный 2012 год обильные и частые осадки во второй половине вегетации позволили повысить запасы влаги до необходимого уровня (НВ = 70 %). Средняя урожайность составила 45,83 т/га.

На участке В одноразовое весеннее затопление при полном затоплении яруса лимана способствовало поддержанию оптимальной влажности почвы в период вегетации люцерны. Средняя урожайность составила 56,10 т/га.

На контроле влажность почвы составляла более 70 % от НВ только во влажный 2012 год. Средняя урожайность составила 37,38 т/га.

В пятой главе «Энергетическая и экономическая оценка результатов исследований» определен годовой энергетический эффект от использования системы лиманного орошения по сравнению с богарными условиями возделывания сельскохозяйственных культур в 2011-2013 гг. составил 320, 295,66 и 367 ГДж соответственно. Годовой экономический эффект составил 253,98 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих мероприятий по рациональному использованию вод местного стока и технологических сбросов с оросительных систем показал перспективу использования технологии лиманного орошение на основе комбинированного использования этих источников. Однако в настоящее время не разработаны конструктивно-технологические схемы для реализации лиманного орошения с комбинированным источником орошения. Кроме того, возникает вопрос выбора оптимальной площади лиманного орошения с учетом особенностей формирования местного стока и технологических сбросов.

2. Обоснована целесообразность аккумулирования вод местного стока и подачи технологических сбросов с пяти наиболее крупных магистральных каналов Ростовской области (Донской, Нижне-Донской, Пролетарский, Верхне-Сальский и Азовский МК) в системы ярусных лиманов.

Анализ мест расположения ливнепропускных сооружений и прилегающих к ним водосборных площадей позволил оценить объем стока и рассчитать потенциальную площадь лиманного орошения. Площадь варьируют в диапазоне от 23 до 45 тыс. га в зависимости от процента обеспеченности стока и нормы лиманного орошения, что составляет от 22 до 25 % площади орошаемых земель рассматриваемых оросительных систем.

Так же оценен объем технологических сбросов, при использовании которого общая площадь лиманного орошения может составить от 18 до 30 тыс. га или от 10 до 17 % всех орошаемых земель на рассматриваемых оросительных системах.

3. Определено значение оптимального процента обеспеченности стока, на который следует проектировать системы ярусных лиманов с учетом использования вод технологических сбросов в условиях Ростовской области. Интервал оптимальных значений лежит в диапазоне от 61 до 91 %.

4. Разработан алгоритм принятия решения по выбору участков для реализации технологии лиманного орошения с комбинированным источником орошения в районе функционирования оросительных систем.

5. Разработано конструктивно-технологическое решение устройства системы ярусных лиманов, которое позволит осуществлять поливы как с вышерасположенной водосборной площади самотеком, так и в напорном режиме, используя промежуточный бассейн сезонного аккумулирования. Данная разработка подтверждена патентом на изобретение № 2467561 МПК (7) А 01 О 25/00.

6. Проведена серия опытов на экспериментальном участке в ОАО «Лиман-ское» Мартыновского района Ростовской области. Это позволило установить, что для лиманного орошения наиболее эффективно проведение весенних влагозаряд-ковых поливов, что подтверждается данными по динамике влагозапасов в активном слое почвы.

Годовой энергетический эффект от использования системы лиманного орошения по сравнению с богарными условиями возделывания сельскохозяйственных культур в 2011-2013 гг. составил 320, 295 и 367 ГДж соответственно. Годовой экономический эффект составил 253,98 тыс. руб.

Рекомендации производству

Проектным организациям при реконструкции существующих и проектировании новых оросительных систем рекомендуется использовать конструктивные решения оросительных систем с использованием местного стока и технологических сбросов на основе патента № 2467561 МПК (7) А 01 в 25/00.

Проектировать системы ярусных лиманов целесообразно с учетом оптимального диапазона значений предложенной выборки критериев на основе разработанного алгоритма принятия решений по выбору участка для реализации технологии лиманного орошения с комбинированным источником орошения в районе функционирования оросительных систем.

Для предварительного технико-экономического обоснования устройства лиманного орошения рекомендуется упрощенное определение параметров ярусов лиманов с помощью графиков зависимости определяемых характеристик от преобладающих уклонов на территории участка.

На этапе проектирования систем приканальных ярусных лиманов следует уточнять расчеты по выбору оптимального процента обеспеченности стоком, применяя методику энергетической оценки технологии лиманного орошения на основании полученных данных комплекса инженерно-изыскательских работ, выбранного севооборота и нормы орошения.

Перспективы дальнейшей разработки темы

В связи с принятием в действие федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 гг.», которая направлена на расширение посевов сельскохозяйственных культур и повышение их урожайности, необходимо предусмотреть комплексное использование автоматизированных систем дистанционного управления водораспределением на участках лиманного орошения, что позволит в дальнейшем более рационально использовать дифференцированные водные ресурсы в крупнейших сельскохозяйственных субъектах Южного Федерального округа при реализации оросительных мелиораций.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ:

1. Кузьмичев, А. А. Повышение эффективности работы оросительных систем Ростовской области путем реализации технологии лиманного орошения [Электронный ресурс] / А. А. Кузьмичев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон, журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013. — № 3(11). -54-65 с. - Режим доступа: http://rosniipm-sm.ru. - Шифр Информрегистра 0418000021/0105.

2. Кузьмичев, А. А. Определение оптимального значения процента обеспеченности стока при организации лиманного орошения на основе метода энергетической эффективности [Электронный ресурс] / А. А. Кузьмичев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. — Электрон, журн. — Новочеркасск: РосНИ-ИПМ, 2013. - № 4(14). - 32-48 с. - Режим доступа: http://rosniipm-sm.ru. - Шифр Информрегистра 0418000021/0105.

3. Кузьмичев, А. А. Обоснование параметров систем ярусных лиманов / А. А. Кузьмичев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. — 2013. - № 4 (32). - С. 228-231.

патенты:

4. Пат. 2467561 Российская Федерация, МПК (7) А 01 О 25/00. Оросительная система с использованием местного стока / Щедрин В. Н., Васильев С. М., Гостищев В. Д., Снипич Ю. Ф., Акопян А. В., Кузьмичев А. А.; заявитель и патентообладатель Российский науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. -№ 2011101196/13; заявл. 12.01.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 26 (II ч.).-6с.

в других научных изданиях:

5. Кузьмичев, А. А. Современное состояние и перспективы развития лиманного орошения / А. А. Кузьмичев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2010. - Вып. 44. - С. 179-184.

6. Кузьмичев, А. А. Снегозадержание - как метод улучшения водно-теплового режима почвы / А. А. Кузьмичев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». — Новочеркасск, 2012.-Вып. 48.-С. 73-78.

7. Кузьмичев, А. А. Перспективы внедрения ярусных систем в границах оросительно-обводнительных систем / А. А. Кузьмичев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». — Новочеркасск, 2012. - Вып. 49. - С. 23-28.

8. Кузьмичев, А. А. Использование местного стока для орошения земель сельскохозяйственного назначения / науч. обзор / Г. А. Сенчуков [и др.]; ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2011. - 172 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.05.11, № 243-В2011.

9. Провести исследования и разработать методические указания по совершенствованию технологии орошения и повышению эффективности использования местного стока для орошения земель сельскохозяйственного назначения: отчет о НИР (заключ.): 2.1.4 / ФГБНУ «РосНИИПМ»; рук.: Сенчуков Г. А. - Новочеркасск, 2012. - 389 с. - Исполн.: Гостищев В. Д., Кузьмичев А. А [и др.]. -№ ГР 001201180296. - Инв. № 02201163304.

10. Провести исследования и разработать свод правил «Мелиоративные системы и сооружения. Эксплуатация. Правила эксплуатации систем лиманного орошения»: отчет о НИР (заключ.): 2.1.5 / ФГБНУ «РосНИИПМ»; рук.: Сенчуков Г. А. - Новочеркасск, 2012. - 87 с. - Исполн.: Гостищев В. Д., Кузьмичев А. А [и др.]. -№ ГР 01201256630. - Инв. № 02201350613.

11. Щедрин, В. Н. Основные правила и положения эксплуатации мелиоративных систем и сооружений, проведения водоучета и производства эксплуатационных работ / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев, В. В. Слабунов. - Новочеркасск, 2013-657 с.

Подписано к печати 27.03.2014 г. Формат 60*80 1/16 Объем 1,0 п.л_Тираж 100 экз._Заказ № 118

Отдел оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО НГМА 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Кузьмичев, Александр Анатольевич, Новочеркасск

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ПРОБЛЕМ МЕЛИОРАЦИИ»

(ФГБНУ «РосНИИПМ»)

и^ш <»5о1 59

На правах рукописи

ж*

Кузьмичев Александр Анатольевич

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. с.-х. наук, доцент В. Д. Гостищев

Новочеркасск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АКТУАЛЬНОСТЬ

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................................8

1.1 Развитие лиманного орошения и его современное состояние........................9

1.1.1 Достоинства применения лиманного орошения........................................13

1.1.2 Сельскохозяйственное использование земель лиманного орошения........................................................................................................................................15

1.1.3 Эколого-мелиоративные показатели при орошении

на местном стоке....................................................................................................................18

1.1.4 Перспективы использования систем лиманного орошения..............20

1.2 Особенности местного стока как источника орошения........................................23

1.3 Использование сбросных вод оросительных систем................................................28

1.4 Существующие конструктивно-технологические схемы устройства

систем лиманного орошения..........................................................................................................31

1.5 Принципы проектирования систем лиманного орошения..................................35

Выводы по главе.................................................................................................41

2 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................................................................44

2.1 Природные и климатические условия района исследований..........................44

2.2 Организационно-хозяйственные условия района исследований................47

2.2.1 Почвенно-мелиоративная характеристика участка лиманного орошения............................................................................................................................................47

2.2.2 Характеристика поливной воды..................................................................................53

2.3 Программа проведения исследований................................................................................55

2.4 Методики проведения исследований................................................................................56

2.5 Алгоритм и схема проведения полевых экспериментов................................58

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТРОЙСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ЛИМАННОГО ОРОШЕНИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ ИСТОЧНИКОМ ОРОШЕНИЯ..............................................61

3.1 Обоснование целесообразности использования ресурсов местного стока на системах ярусных лиманов........................................................................................61

3.1.1 Определение характеристик талого стока............................................................62

3.1.2 Определение характеристик дождевого стока................................................68

3.1.3 Расчет гидрографов стока..................................................................................................69

3.1.4 Оценка химического состава вод местного стока..........................................73

3.2 Теоретическое уточнение и прогнозирование размеров дополнительных площадей лиманного орошения при комплексном использовании вод оросительных систем и местного стока............................75

3.3 Обоснование выбора оптимального процента обеспеченности стока при комплексном использовании вод оросительных систем и местного стока в зависимости от структуры культур в севообороте.... 81

(

3.3.1 Расчет энергетической ценности прибавки урожая при лиманном орошении................................................................................................................81

3.3.2 Расчет энергетических затрат на возделывание культур принятого севооборота..........................................................................................................88

3.3.3 Определение оптимального процента обеспеченности стока при комплексном использовании вод оросительных систем и местного стока..............................................................................................................................91

Выводы по главе........................................................................................................................................................103

4 РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЯРУСНЫХ ЛИМАНОВ..............................................104

4.1 Процесс принятия решения при выборе конструктивно-технологических схем ярусных лиманов..............................................................................104

4.2 Полученные конструктивные решения ярусных систем....................................107

4.3 Обоснование параметров системы ярусных лиманов................................................112

4.4 Результаты и анализ экспериментальных данных......................................................121

4.5 Рекомендации производству..........................................................................................................131

Выводы по главе......................................................................................................................................................132

5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................................................................133

5.1 Расчет энергетического эффекта от внедрения ярусных лиманов..............133

5.2 Оценка получения прибыли при организации конструктивно-технологических схем лиманного орошения....................................................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................159

Приложение А Природно-климатические условия

Мартыновского района..............................................................................................160

Приложение Б Характеристики стока по годам наблюдений......................................161

Приложение В Технологические карты возделывания

сельскохозяйственных культур........................................................................168

Приложение Г Определение энергетических затрат..............................................................179

Приложение Д Влажность почвы............................................................................................................189

Приложение Е Параметры и стоимостные показатели устройства системы

ярусных лиманов..........................................................................................................193

Приложение Ж Акты внедрения..............................................................................................................194

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Ежегодно на оросительных системах Ростовской области при заполнении каналов, а также во время их опорожнения на сброс идут большие объемы оросительной воды. Кроме того, ежегодно с территорий обслуживаемых оросительными системами непроизводительно стекают воды местного стока, которые практически никак не вовлекаются в процесс орошения, а приводят к развитию процессов водной эрозии, деградации орошаемых площадей [147]. В целом, непроизводительные потери воды для условий юга Ростовской

области составляют величину более 45 млн км .

Что касается земельных ресурсов, то и здесь можно отметить их недостаточно эффективное использование в плане орошения как из-за неблагоприятных показателей (почвенные - повышенное содержание солей; топографические - уклоны, не позволяющие применять поливную технику; геометрические - конфигурация, не позволяющая эффективно использовать технические средства почво-обработки), так и из-за отсутствия в ряде хозяйств поливной техники [118].

В то же время, как отмечают в своих публикациях Б. А. Шумаков, Б. Б. Шумаков, В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, В. И. Ольгаренко, Ю. П. Поляков, М. С. Григоров, И. П. Кружилин, В. В. Бородычев, Ю. А. Свистунов и другие ученые, повышение эффективности водопользования и использования орошаемых земель представляет собой актуальную проблему при решении задач восстановления и развития оросительных мелиораций не только в Ростовской области, но и в масштабах всей страны [162-169, 58, 104, 115,33,65, 14, 131].

Перспективным решением увеличения эффективности использования водных и земельных ресурсов на оросительных системах является комплексное использование вод местного стока и технологических сбросов для лиманного орошения на площадях еще не вовлеченных в сельскохозяйственный оборот.

Б. И. Туктаров, А. В. Кравчук, Б. А. Биримкулова, Э. Б. Дедова, С. А. Подмарев Н. J. Bruins, М. Evenari, U. Nessler и другие. Оценивая практические результаты этих работ, следует отметить высокий экономический эффект от внедрения лиманного орошения в засушливых районах нашей страны. Многие ученые-мелиораторы в своих работах отдают приоритет использованию ярусных лиманов среднего и

мелкого слоя затопления с нормой орошения, не превышающей 3500 м /га.

Задачи исследований:

Новизна технических решений: предложена конструктивно-технологическая схема устройства ярусных лиманов.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивные решения и расчетные параметры для совершенствования ярусных систем лиманного орошения;

Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ - 3, и одной монографии. Получен патент на изобретение № 2467561 МПК (7) А 01 в 25/00. Общий объем опубликованных работ составляет 2,51 п. л., из них 2,48 п. л. принадлежит автору.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АКТУАЛЬНОСТЬ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В современных условиях взгляды на неисчерпаемость водных ресурсов меняются в сторону более строгой оценки их количества и качества и необходимости научно обоснованного учета водопользования. В связи с этим становится актуальной задача комплексного использования вод местного стока, в том числе для целей орошения.

Вопросы, связанные с использованием водных ресурсов в сельском хозяйстве, включают обоснование необходимых и достаточных лимитов забора и сброса воды по отраслям аграрно-промышленного комплекса (АПК) и развитие механизмов эффективного водопользования. Совершенствование государственного управления является одним из основополагающих факторов, способствующих выработке согласованных действий, ориентированных на реализацию принципов интегрированного управления водными ресурсами в Российской Федерации. Сложность и многогранность проблем обусловливают необходимость системного подхода и применения программных методов их решения.

В 50-70-е годы XX века в нашей стране был проведен большой объем работ для повышения эффективности использования местного стока, для чего осуществлялось его регулирование путем строительства аккумулирующих прудов, водохранилищ, а также строительства лиманов. Это позволило значительно повысить эффективность сельскохозяйственного производства овощей, кормовых и технических культур, а также увеличить эффективность животноводства [22, 56, 68, 70, 133].

Наиболее строгий режим экономии воды должен быть установлен в южных регионах страны с их плодородными почвами и оптимальной суммой эффективных температур, где орошение наиболее продуктивно, а располагаемые водные ресурсы крайне ограничены.

В условиях нарастающего дефицита водных ресурсов, как в сельскохозяйственной отрасли АПК, так и промышленном производстве в целом, особое вни-

мание следует уделять их рациональному использованию. Необходимо бороться со всевозможными потерями оросительной воды, широко развивать орошение земель водами местного стока, комплексно подходить к созданию новых орошаемых массивов на основе аккумулирования местного стока и постоянного совершенствования технологий орошения [42, 55, 57, 63, 93, 176].

Для разработки конструктивно-технологических схем лиманного орошения с комбинированным источником орошения необходимо проанализировать имеющийся опыт по использованию в качестве источника орошения вод местного стока, в том числе с возможностью дополнительных подпиток из других источников (каналов, водохранилищ, рек и т. п.).

1.1 Развитие лиманного орошения и его современное состояние

Как источник орошения, местный сток широко использовался во многих засушливых регионах России [20-22, 56, 81, 165]. Одним из способов использования вод местного стока было применение его для целей лиманного орошения.

Как правило, лиманное орошение - это одноразовое увлажнение почвы водами мест�

Информация о работе

Кузьмичев, Александр Анатольевич
кандидата технических наук
Новочеркасск, 2014
ВАК 06.01.02

Диссертация

Повышение эффективности технологии лиманного орошения за счет комплексного использования вод оросительных систем и местного стока - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Повышение эффективности технологии лиманного орошения за счет комплексного использования вод оросительных систем и местного стока - тема автореферата по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы