Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Агрогидромелиоративные основы природообустройства длительно сезонномерзлотных почв

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Дальков, Михаил Петрович, Екатеринбург

Министерство природных ресурсов РФ

Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

(РосН 1/11/1ВХ)

АГРОГ1/1ДРОМЕЛИОРАТИВНЫЕ ОСНОВЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННОМЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ (на примере Нечерноземной зоны Урала)

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

г. Екатеринбург - 1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................5

Глава 1. АГРОМЕЛИОРАТИВНЫЕ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ. . . .18

1.1. Существующие способы мелиорации переувлажненных земель

и болот.......................... . . 18

1.2. Состав, особенности и основные недостатки расчетов гидрологического режима....................31

1.3. Расчетные формулы составляющих водного баланса........34

Глава 2. МЕЛИОРАТИВНАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ

УСЛОВИЙ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ УРАЛА..........46

2.1. Географическое положение и климато-гидрологические

условия . ............................46

2.2. Геоморфология и рельеф.....................57

2.3. Гидрография...........................62

2.4. Почвенно-литологическая характеристика покровных отложений . 64

2.5. Гидрогеология..........................75

2.6. Характеристика мелиоративного фонда..............85

Глава 3. ПРИРОДНО-МЕЛИОРАТИВНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ

НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ УРАЛА................92

3.1. Существующие схемы природно-мелиоративного районирования . 92 3.1.1. Принципы районирования..................95

3.2. Составление карт районирования природных факторов......96

3.3. Карта природно-мелиоративного районирования.........98

3.4. Типизация болот........................113

3.5. Районирование Нечерноземной зоны Урала по равнообеспеченным величинам естественного увлажнения..............116

Глава 4. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ..... 119 4.1. Объекты стационарных исследований..............119

4.1.1. Местоположение объектов, рельеф, характеристика мелиоративных мероприятий.................120

4.1.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия .... 147

4.1.3. Обоснование репрезентативности объектов исследований . . .161

4.2. Климатические условия периода наблюдений..........164

4.3. Состав и методы исследований.......,..........173

Глава 5. ВОДНЫЙ БАЛАНС И РЕЖИМ ОБЪЕКТОВ МЕЛИОРАЦИИ . . .183

5.1. Водный режим объектов мелиорации...............183

5.1.1. Режим грунтовых и почвенно-грунтовых вод.........183

5.1.2. Влажность почв и почвогрунтов.............. .203

5.1.3. Дренажный и поверхностный сток..............206

5.2. Водный баланс объектов мелиорации..............219

5.3. Фильтрационные расчеты горизонтального дренажа.......229

5.3.1. Расчет междренных расстояний...............229

5.3.2. Расчетные фильтрационные схемы.............231

5.4. Деформация торфа и минеральных грунтов в связи с осушением

и промерзанием.........................233

5.5. Прогноз динамики уровней грунтовых вод............236

5.5.1. Районирование Нечерноземной зоны Урала по нормам

осушения............................247

Глава 6. ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ............255

6.1. Методы определения суммарного испарения...........255

6.1.1. Выбор методов расчета водопотребления для места проведения исследований ..........................256

6.1.2. Схемы районирования суммарного водопотребления и испарения с незанятого растительностью торфа.........263

6.2. Урожай и водопотребление сельскохозяйственных культур при

разных глубинах грунтовых вод................263

6.3. Водообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами......273

Глава 7. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕГУЛИРОВАНИЯ

ВОДНОГО И ПИТАТЕЛЬНОГО РЕЖИМОВ МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ.............................281

7.1. Агрохимические приемы окультуривания мелиорируемых

почв...............................281

7.1.1. Исходный уровень плодородия почв............ . 281

7.1.2. Оптимизация питательного режима почв...........284

7.2. Экологическая оценка интенсивности регулирования водного

и питательного режимов.....................287

7.2.1. Химический состав дренажных и почвенно-грунтовых вод . . . 288

7.2.2. Вынос биогенных элементов дренажными водами......294

7.2.3. Урожай сельскохозяйственных культур и его качество.....297

7.3. Математическая модель и программный комплекс расчета на ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий . . . .301

7.3.1. Обоснование принятой модели расчета выноса загрязнений

с сельскохозяйственных угодий..................308

7.3.2. Программный комплекс расчета на ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий, нормирование нагрузок мелиорированных земель.....................311

7.4. Экономическая оценка приемов окультуривания и мелиорации почв...............................312

7.5. Экономическая эффективность осушительных мелиораций . . . .312

7.5.1. Влияние осушения на урожай сельскохозяйственных культур .316

7.5.2. Экономическая эффективность осушения..........319

7.5.3. Экономическая эффективность водоохранных мероприятий

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................325

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. . ........328

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................345

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Как показал огромный практический опыт, мелиорация земель является эффективным средством интенсификации сельскохозяйственного производства. При этом в производственную сферу вовлекаются значительные по своим объемам земельные и водные ресурсы, в связи с чем, существенным образом видоизменяется облик естественных ландшафтов, трансформируются водный, воздушный, тепловой и питательный режимы почв.

В Нечерноземной зоне Урала - регионе высокоразвитой индустрии и высочайших антропогенных нагрузок - имеется огромный мелиоративный фонд минеральных земель и болот, располагающих большим потенциальным плодородием и служащих источником насыщения рынка продовольствием.

Отсутствие научно обоснованных рекомендаций и предложений у проектных, строительных и эксплуатационных организаций, сложность регулирования водно-воздушного, теплового и питательного режимов, вызванная длительным сезонным промерзанием и поздним оттаиванием мелиорируемых почв, отсутствие региональной изученности водного баланса, режима формирования круговорота веществ в системе атмосфера-почва-растение-вода не позволяют надежно определять режимообразующие факторы переувлажненных почв.

Это обстоятельство вызывает необходимость постановки специальных лабораторно-полевых опытов и экспериментов по изучению водно-воздушного, теплового и питательного режимов мелиорируемых почв, особенностей его формирования в зависимости от конструкции систем, геологических, почвенных, гидрогеологических и климатических условий.

В последние годы все большее распространение получает представление о сельскохозяйственных мелиорациях как об особом виде природопользования, осознана необходимость учета экологических последствий мелиорации земель, равно как и необходимость руководствоваться экологическими принципами нормирования и подхода при обосновании объемов и видов мелиораций. Сказанное означает, что мелиоративные проблемы следует решать с учетом экологических особенностей естественных ландшафтов, динамики природных и антропогенных процессов.

Ориентируясь на принцип поддержания экологического равновесия окружающей природной среды необходимо иметь в виду следующее. Современная технически совершенная мелиоративная система "вторгается" в сбалансированную природную среду, представленную широким аспектом почвенно-климатических, геологических и гидрогеологических условий с задачами активного управления водным, воздушным и пищевым режимами для получения запланированного урожая.

Функционирование таких мелиоративных систем сопровождается так называемыми техногенными выбросами, являющимися в той или иной степени источниками загрязнения окружающей среды. К таким выбросам относятся излишки дождевой и поливной воды, потерянные для агроценозов и пошедшие на пополнение и подъем грунтовых вод, минеральные удобрения и ядохимикаты, проникшие в почву, грунты и грунтовые воды, а также собственно дренажные воды, аккумулирующие биогены, ядохимикаты и другие токсиканты и представляющие непосредственную угрозу водным объектам, водноэкологической обстановке в целом.

Объем дренажного стока определяется значением дренажного модуля и размерами мелиорированных площадей. Для Российской Федерации модуль дренажного стока лежит в интервале 0,05 - 0,06 (л/с) га, а для территорий Урала 0,05 - 0,8 (л/с) га (последнее для пойменных почв).

Химический состав дренажных вод весьма пестрый и зависит от гидрохимических особенностей территорий, обслуживаемых мелиоративными системами, доз и видов вносимых минеральных удобрений, химических средств защиты растений.

Ориентация на создание экологически безопасных мелиоративных систем предполагает максимально полный учет природно-климатических условий и практически полную нейтрализацию неблагоприятных свойств технических выбросов с мелиорируемых земель. Последнее означает необходимость доведения качества поверхностных и сбросных дренажных вод при сбросе в водоприемник до кондиций, гарантирующих отсутствие негативных явлений даже в отдаленной перспективе.

Цель и задачи исследований. Цель работы - разработка агрогидромелиоративных основ природообустройства длительно сезонномерзлотных почв, способов расчета и экологически

безопасного регулирования режимообразующих факторов на примере Нечерноземной зоны (НЧЗ) Урала.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- оценить комплекс природно-климатических условий НЧЗ Урала для осуществления агрогидромелиораций и на этой основе провести районирование и типизацию объектов мелиорации;

- изучить закономерности формирования водного баланса и режима мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв на опытных объектах НЧЗ Урала;

- оценить влияние различных способов мелиорации и конструкций мелиоративных систем на водный, воздушный, тепловой и питательный режимы длительно сезонномерзлотных почв и установить их экологически безопасные параметры;

- разработать приемлемые в практике проектирования и эксплуатации методы расчета водного режима и прогноза уровней грунтовых вод для лет различной обеспеченности; провести районирование по нормам осушения длительно сезонномерзлотных почв при осушении их закрытым дренажем;

- разработать принцип нормирования и программный комплекс для ПЭВМ выноса биогенов и других загрязнителей с сельскохозяйственных угодий;

- дать эколого-экономическую оценку регулирования водного и питательного режимов мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв.

Методологические основы и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых и крупных специалистов по проблемам мелиорации, гидрологии, гидрогеологии и охраны окружающей среды, диалектические и физические законы сохранения вещества и энергии, фундаментальные труды по почвоведению, по теории вероятностей и математическому моделированию физических и физико-химических процессов.

В качестве общих методов исследований использовались системный комплексный подход, методы математической статистики, экономико-математического и физического моделирования, теории оптимальных решений и сравнительного анализа.

Предметом исследования являются природно-климатические, рельефные, геологические, гидрогеологические и почвенно-литологические региональные условия с позиций осуществления экологически безопасных гидротехнических мелиораций, способы мелиораций и конструкции мелиоративных систем и их элементов, водный баланс и режим мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв, круговорот биогенных элементов.

Объекты исследования - мелиорированные различными способами, инженерными конструкциями и элементами болота и переувлажненные минеральные земли НЧЗ Урала.

Научная новизна. Впервые в НЧЗ Урала на основе анализа природно-климатических, геологических, гидрогеологических, почвенно-литологических и других условий проведены районирование и типизация объектов мелиорации.

На основе водного баланса установлена роль грунтовых вод в водном питании длительно сезонномерзлых переувлажненных земель, даны их количественная характеристика и оптимальные параметры закрытой регулирующей сети и расчетные периоды действия.

Предлагаются расчетные схемы дренирования с учетом длительного существования мерзлоты.

Разработаны методики, зависимости для прогноза и расчета уровенного режима грунтовых вод как в период вегетации, так и в холодный период года, определения потока влаги в мерзлый слой, расхода грунтовых вод в зону аэрации.

Выполнено районирование НЧЗ Урала по уровням грунтовых вод и суммарному испарению за май-сентябрь в разные по увлажненности годы.

Рассчитаны зональные общее и коэффициенты расхода влаги на 1°С и 1мб дефицита влажности воздуха.

Разработаны экологически оптимальные севообороты и схемы использования земель с учетом круговорота биогенных элементов в системе почва - растение - вода.

Разработана математическая модель и программный комплекс для ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий.

Дана эколого-экономическая и инженерно-экономическая оценка эффективности капитальных вложений в мелиорацию с учетом приемов использования мелиорированных земель.

Практическая значимость. Результаты исследований направлены на установление объективных потенциальных путей становления и развития гидротехнических мелиораций, совершенствование экологически безопасных способов, конструкций мелиоративных систем для длительно сезонномерзлотных почв, прогноза и расчетов водного баланса и режима почв при проектировании, строительстве и эксплуатации мелиоративных систем в НЧЗ Урала. Производству рекомендованы конструкции мелиоративных систем и их элементы для торфяников и переувлажненных минеральных земель в зависимости от влагосодержания зоны аэрации, что позволяет количественно учитывать сложившийся водный баланс и режим и корректировать его для повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Разработанные модель и программный комплекс расчета выноса биогенов и других токсикантов с водосборов позволяют осуществить прогноз и расчет поступления загрязнений в водные объекты, предотвратить их поступление за счет реализации предлагаемого комплекса мероприятий. Полученные результаты позволяют эффективно использовать капитальные вложения, земельные и водные ресурсы.

Реализация результатов диссертационной работы. Исследования выполнялись с 1974 года в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Результаты научно-исследовательских разработок по мелиорации земель включены в "Вопросы проектирования осушительных и осушительно-увлажнительных систем на Урале" (1977), "Рекомендации по созданию и использованию сеяных лугов на осушенных землях Уральского региона Нечерноземной зоны РСФСР" (1979), "Временные рекомендации по осушению болот Среднего Урала" (1982), "Систему мелиорации земель Свердловской области" (1985), "Руководство по улучшению естественных и созданию культурных сенокосов и пастбищ в Свердловской области" (1986) и др., которые применяются институтами системы "Гипроводхоз" Урала при проектировании мелиоративных систем. Проведено непосредственное внедрение в хозяйствах НЧЗ Урала через реализованные проекты на площади 3,3 тыс.га с фактическим годовым экономическим эффектом 708,6 млн.руб в ценах 1995 г.

Модель и программный комплекс расчета на ПЭВМ выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий использованы при разработке оптимальных планов водоохранных мероприятий в бассейнах рек Урала на период до 2010 г. (протокол комиссии от 19.02.1992 г.); ФЦП "Обь" в границах Свердловской области (1996) в соответствии с Постановлением Правительства РФ 1127/р от 17.07.1996 г., единой информационно-справочной системы "Состояние, использование и охрана водных ресурсов бассейна р.Тобол" для поддержки принятия управленческих решений в Уральском БВУ, Нижне-Обском БВУ, Свердловском территориальном комитете по водному хозяйству. На ее основе подготовлены обосновывающие материалы для бассейнового соглашения о совместной охране и рациональном использовании вод бассейна р.Тобол (протокол НТС рабочей группы Российско-Казахстанской комиссии от 8.04.1994 г.), "Программы мероприятий по оптимальному управлению водными ресурсами в пограничных створах территорий для бассейна р.Туры на период до 2010 г." (1993), бассейнового соглашения по р.Ик между Республиками Татарстан и Башкортостан (1994).

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональном совещании ВАСХНИЛ "Проблемы закрытого дренажа в Сибири и на Дальнем Востоке" (г.Тюмень, 1981), Проблемном совете по осушению, осушительным системам и проблемам мелиорации в Нече