Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Агрогидромелиоративные основы природоустройства длительно сезонномерзлотных почв (на примере Нечерноземной зоны Урала)

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

Автореферат диссертации по теме "Агрогидромелиоративные основы природоустройства длительно сезонномерзлотных почв (на примере Нечерноземной зоны Урала)"

На правах рукописи

ДАЛЬКОВ Михаил Петрович

АГРОГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЕ ОСНОВЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННОМЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ

(на примере Нечерноземной зоны Урала)

Специальность: 11.00.11 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

г.Екатеринбург -1997 г.

Рабата выполнена в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) Министерства Природных Ресурсов Российской Федерации.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор М.С.Григоров

Доктор географических наук, профессор Ю.М.Матарзин

Доктор географических наук, профессор /Ш.Гареев

Ведущая организация:

Институт проблем прикладной экологии и природопользования МЧС и экобезопасности республики Башкортостан (г.Уфа).

Защита состоится 1997 г. в/4ч. на заседании специализированного

совета Д 099.01.01 при Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу: 620049, Екатеринбург, ул.Мира,23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ по адресу: 620049, Екатеринбург, ул.Мира, 23.

Автореферат разослан¿Ц 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620049, г.Екатеринбург, ул.Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 099.01.01.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 агмосфера-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 мелорациях 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 агроценоэов и пошедшие на пополнение и подъем грунтовых вод, минеральные удобрения и ядохимикаты, проникшие в почву, грунты и фунтовые воды, а также собственно дренажные воды, аккумулирующие биогены, ядохимикаты и другие токсиканты и представляющие непосредственную угрозу водным объектам, водноэкологической обстановке в целом.

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 - исследование агрогидромелиоративных основ природообустройства длительно сезонномерзлотных почв и разработка 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 фунтовых 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 зафязнигелей с сельскохозяйственных угодий;

- дать эколого- и инженерно-экономическую оценку регулирования водного и питательного режимов мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв и комплекса водоохранных мероприятий от зафязнений с сельскохозяйственных и естественных утрдий.

Методологические основы и методы исследования. Теоретической'V 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, вынос загрязнений с сельскохозяйственных и естественных угодий.

Объекты исследования - мелиорированные различными способами, инженерными конструкциями и элементами болота и переувлажненные минеральные земли НЧЗ Урала, водосборы рек, сельскохозяйственные и естественные угодия.

Научная новизна. Впервые на примере 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 сезонномерзлотных 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 фунтовых 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 1 мб дефицита влажности воздуха.

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

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

Дана эколого- и инженерно-экономическая оценка эффективности капитальных вложений в мелиорацию с учетом приемов использования мелиорированных земель, комплекса водоохранных мероприятий от загрязнений сельскохозяйственных и естественных угодий.

На защиту выносятся:

- районирование и типизация объектов мелиорации на примере НЧЗ Урала;

- количественная оценка роли фунтовых вод в водном питании мелиорируемых длительно сезонномерзлотных почв;

- конструкции мелиоративных систем и их элементов, расчетные схемы дренирования почв и формулы расчета элементов вещного баланса в условиях длительного существования мерзлоты;

• агрогидромелиоративные теоретические и экспериментальные основы прогноза и расчета водного баланса и режима длительно сезонномерзлотных почв, выноса зафязнений с сельскохозяйственных и естественных угодий.

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-увпажнительных систем на Урале" (1977), 'Рекомендации по созданию и использованию сеяных лугов на осушенных землях Уральского региона Нечерноземной зоны РСФСР" (1979), "В|эеменные 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 201 С' 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 поддержи 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 Нечерноземной зоне РСФСР (г.Ленинград, 1983), Научно-технических советах УралНИИСХоза (г.Свердловск, 1981), Южуралгипроводхоза (г.Челябинск, 1976), Свердловскгипроводхоза (г.Свердловск, 1983,1984,1985,1986), Пермгипроводхоза (г.Пермь, 1986,1987), Удмуртского отделения Ленгипроводхоза (г.Ижевск, 1987,1988), Советско-Финлядском симпозиуме "Экологические аспекты агротехнических и мелиоративных мероприятий. Экономические аспекты взаимовыгодного сотрудничества" (г.Минск, 1990),

Всероссийской научно-технической конференции "Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод, мероприятиями на водосборе' (г.Свердловск, 1991), Всероссийской научно-практической конференции 'Управление водным хозяйством России" (г. Екатеринбург, 1992, 1993), Всероссийской научно-практической конференции "Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек" (г.Екатеринбург, 1994), научно-практической конференции "Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий" (г.Уфа, 1994), 2-ой Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (г.Казань, 1995), Российско-Германском семинарах РосНИИВХ - Эрланген-Нюрнбергский университет (г.Эрланген, ФРГ, 1993, 1995), Всероссийской конференции "Бассейн реки. Эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования" (г.Екатеринбург, 1996), Международном семинаре "К здоровой воде - совершенствуя управление" (г.Екатеринбург,

1996), научно-технической конференции "Водные ресурсы и устойчивое развитие экономики Беларуси" (г.Минск, 1996), Международной научно-практической конференции "Геоэкология в Урало-Каспийском регионе" (г.Уфа, 1996), 2-ом Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (г.Москва, 1996), 3-ей Международной выставке-семинаре "Чистая вода Урала - 96" (г.Екатеринбург, 1996), Межрегиональной научно-практической конференции "Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения" (г.Уфа, 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием" (г.Москва,

1997), Выставке и научно-технической конференции "Техноген-97" (г.Екатеринбург, 1997), других областных конференциях и совещаниях, а также на ВДНХ РФ путем экспонирования научных результатов работ (г.Москва, 1992, 1993), отмеченных серебряной и золотой медалями. По результатам исследований получено 4 авторских свидетельства, опубликовано 70 печатных работ, в том числе 10 монографий и брошюр.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в семи главах на 344 страницах машинописного текста, содержит 84 таблицы, 56 рисунков и 45 приложений. Список использованных источников включает 244 наименования. В приложении представлены сведения о внедрении и экономическом эффекте.

Автор выражает глубокую признательность коллективам отдела мелиорации земель и отдела защиты водных объектов от загрязнений с водосбора за большую помощь при выполнении настоящей работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, а также новизна полученных результатов. Показана практическая значимость диссертационных исследований, приведены сведения об использовании основных результатов работы в практике проектирования мелиоративных систем и планирования водохозяйственной деятельности в бассейнах рек в части защиты водных объектов от загрязнений с водосбора.

1. АГРОГИДРОДОГИЧЕСКИЕ Й ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ

В главе проведен ретроспективный анализ способов мелиорации, установления расчетных периодов действия мелиоративных систем, выноса загрязнений дренажным и

рассредоточенным стоком, состав, особенности и основные недостатки расчетов гидрологического режима, расчетные формулы водного баланса.

Показано, что для мелиорации переувлажненных минеральных земель и болот, как в России, так и за рубежом применяется достаточно широкий спектр способов осушения, дополняемый агротехническими и агромелиоративными приемами. Наиболее прогрессивный способ - закрытый дренаж, на тяжелых мине зальных почвах применяют глубокое рыхление. Наиболее полно изучены эти вопросы для условий Беларуси, Литвы, Латвии, западной и северо-западной части Нечерноземной зоны России, в меньшей мере -в Сибири и на Дальнем Востоке. В НЧЗ Урала комплексные воднобалансовые исследования водного режима зоны аэрации мелиорируемых почв не проводились. Отсутствуют работы по региональным аспектам взаимосвязи элементов водного баланса и режима, методам их расчета.

Приток воды к дренам - основной расчетный элемент всех формул. Его определяют по уравнению водного баланса для слоя почвы от поверхности до нормы осушения. По СНиП 2.06.03-85 приток воды к дренам (м/сут) надлежит определять по формуле:

0)

\У=Нь+мЬо+кх-Е,- (2)

где: q - приток воды к дренам, м/сут; V/ - слой воды, подлежащий отведению, м; I - время, сут; Н„- слой воды, оставшийся на поверхности после схода полых вод или выпадения осадков (в расчетах принимается равным 0,01 - 0,02 м); ц • коэффициент водоотдачи;^-нормаосушения, м; - исправленные осадки за расчетный период, м; Е - суммарное испарение (м) за тот же период.

Предполагается, что на начало расчетов УГВ = 0, т.е. находится на поверхности и в течение расчетного периода опускается до нормы осушения. Такая схематизация не всегда соответствует действительности и совсем искажает картину в условиях длительного существования мерзлоты.

В уравнении (2) не учитывается и изменение влагозапасов почвы в зоне аэрации. Допускается, что их распределение над УГВ имеет равновесный характер. Опять таки в условиях длительного существования мерзлоты это допущение совершенно искажается.

Проведенный анализ методов и способов расчета водного баланса и режима зоны аэрации мелиорируемых почв, разработанных в трудах А.Н.Костякова, С.Ф.Аверьянова, АДСаваренского, А.ДПанадиади, В.Ф.Шебеко, Б.С.Маслова, А.И.Ивицкого, А.М.Янголя и др. показал, что их реализация в малоизученных районах нуждается в уточнении и корректировке.

Функционирование мелиоративных систем сопровождается так называемыми техногенными выбросами, являющимися в той или иной степени источниками загрязнения природной среды. К таким выбросам относятся поверхностные и собственно дренажные воды, аккумулирующие биогены, ядохимикаты и другие токсиканты и представляющие непосредственную угрозу водным объектам, водноэкологической обстановке в целом.

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 сбросных дренажных вод при сбросе в водоприемник до кондиций, гарантирующих отсутствие негативных явлений даже в отдаленной перспективе.

2. МЕЛИОРАТИВНАЯ OÜEHKA ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ УРАЛА

В главе рассмотрены климат, рельеф, гидрография, геологические и гидрогеологические условия, почвенно-литологическая характеристика покровных отложений и мелиоративного фонда региона.

НЧЗ Урала в основном расположена в административных границах Удмуртской Республики, Пермской и Свердловской областей и определяется координатами 56° и 62° с.ш., 51° и 66° в.д., занимает северо восток Русской равнины, Средний (частично Северный) Урал и примыкающую к ним часть Западно-Сибирской равнины. Общая площадь составляет 397,6 тыс.км2; Установлено, что НЧЗ Урала с позиций осуществления гидротехнических мелиораций имеет ряд специфических природных элементов: тесная взаимосвязь геоморфологических: и гидрогеологических условий, глубокое сезонное промерзание и позднее оттаивание торфяных и минеральных почв и связанный с ними комплекс трансформаций водно-воздушного, теплового и пищевого режимов и самой толщи мелиорируемых почв.

Важным фактором, оказывающим влияние на формирование водного баланса и режима мелиорируемых земель, является континентальный (Предуралье) и резко-континентальный (Зауралье) климат региона. Он характеризуется суровой продолжительной зимой, теплым, но коротким летом. Сумма отрицательных температур изменяется по территории от 1700 до 2000 "С. Это способствует глубокому промерзанию торфяных и минеральных грунтов, что вносит принципиальные изменения в работу мелиоративных систем.

Нами с использованием методов вариационной статистики построены теоретические кривые глубины промерзания почвогрунтов для опорных гидрометеорологических станций Нечерноземной зоны Урала. Среднегодовая глубина промерзания минеральных фунтов колеблется от94 см (ГМС Верхотурье) до 129 (ГМС Богданович), торфяных-19-55 см.Более высокое промерзание на юге объясняется меньшей высотой снежного покрова. Осадки распределяются очень неравномерно и зависят от особенностей рельефа и хода синоптических процессов. Годовая сумма осадков на вершинах и склонах гор превышает 900 мм, в долинах их выпадает 600-750 мм, в пониженной части Среднего Урала - от 450 до 650 мм. Наибольшее количество осадков получают кряжи, сопки, увалы. В годовом ходе минимум осадков отмечается в феврале (10-20 мм), максимум - в июле (6035мм). Среднее количество осадков за вегетационный период 290-450 мм. В оценке климатических условий Нечерноземной зоны Урала для нужд сельскохозяйственного производства особое значение имеет степень обеспеченности вегетационного периода теплом на большей части территории и влагой на юге и юго-востоке. По показателютеплообеспеченности, разработанному Г.Т.Селяниновым на территории НЧЗ Урала выделены две зоны:

- исключительно кормовая - t>10°=1400° -1000°;

- северных кормовых культур - t>10° больше 1400°.

По исследованиям ДИ.Шашко, П.А.Летунова, В.П.Сотникова рациональными считаются осушительные мелиорации до изотермы t> 100 выше 1200 поэтому будет обоснованным НЧЗ Урала, ограниченную этой изотермой, в аспекте районирования и типизации болот для целей мелиорации на современном этапе не рассматривать. Увлажненность за гидрологический год определена по методике Д И.Шашко:

Р

а=у. (3)

где Р- осадки за год, мм; N условная испаряемость за год, мм.

¡4),45 Ей (4)

где с1- сумма среднесуточных значений дефицита влажности воздуха за год, мб.

Величины расчетного показателя увлажнения по рассматриваемой территории варьируют от 2,35 до 0,9, следовательно, по Д.И.Шашко территория НЧЗ Урала соответствует области достаточного увлажнения, в которой выделяются зоны: избыточно влажная-а> 1,33; влажная - а =1,33-1,0; полувлажная - 0,7< а <1,0. Для этих зон вероятность наступления избыточно влажных лет в первом случае равна 64% и выше, во втором -30 % и выше, сухих в первом и втором случае 0. Обеспеченность влагой вегетационного периода определена по критерию ГТК {гидротермический коэффициент), предложенному Г.Т.Селяниновым:

ггк = (5)

где р - осадки за период со средней суточной температурой выше 10°; I - сумма температур за тот же период, уменьшенная в десять раз. По предложению Г.Т.Селянинова нами выделены следующие зоны: ГТК > 1,5 - зона избыточного увлажнения (зона дренажа); ГТК =1,5 -1,0 - зона обеспеченного увлажнения.

Таким образом, Нечерноземная зона Урала находится преимущественно в зоне избыточного увлажнения (или в зоне дренажа) как в разрезе вегетационного периода, так и гидрологического года, а поэтому возникает наибольшая потребность в осушительных мелиорациях.

Рельеф региона исследований является продуктом геологической истории мезозоя и кайнозоя с абсолютными отметками 50-1500 м. Поверхность изобилует различными формами мезорельефа (пологоволнистые возвышенные равнины, остаточные горы, водно-ледниковые равнины) с уклонами 0,02-0,12 и более и макрорельефа. Макрорельеф представлен западинами( блюдцами) площадью до 1.0 га глубиной 10-54 см и более, что предъявляет особые требования при проведении мелиораций.

Урал является уникальным водоразделом с высоким развитием гидрографической сети. Густота речной сети в НЧЗ Урала 0,4-0,8 км/км2, модуль стока 4-6 л/с км. Гидрологический режим рек имеет характер типичных горных потоков и равнинных рек с преобладанием снегового питания с растянутым весенним половодьем. Регион богат озерами, особенно на восточных склонах Урала и характеризуется как интенсивно и слабо дренированный. Почвенный покров региона (397,6 млн.га), имея достаточно выраженную зональность, чрезвычайно пестрый и комплексный. Большое распространение имеют полугидроморфные и гидроморфные почвы (2,7 млн.га), основную долю которых занимают торфяники. Подавляющие литологические разности - суглинки и глины с чрезвычайно низкими фильтрационными свойствами. Торфяники подстилаются ими же. Подземные воды, залегающие в верхней толще пород, не представляют единую гидродинамическую систему, поэтому в регионе выделяются зоны отсутствия питания грунтовых вод напорными,возможного локального участия подземных вод в переувлажнении территории. Степень гидравлической связи зависит от уровня глинизации верхней части пород.

Мелиоративный фонд НЧЗ Урала представлен, в основном, низинными болотами -

1438,1 тыс.га, заболоченными сенокосами и пастбищами - 177 тыс.га. На последней изобилуют западины (блюдца) площадью до 1,0 га, глубиной 10-54см.Вовлечение болот и переувлажненных минеральных земель в сельскохозяйственный оборот возможно только за счет проведения комплекса мелиоративных мероприятий.

Мелиорируемые земли Н 43 Урала являются составной частью мелиоративного фонда и составляют 90,8 тыс.га или всего 2,9 % от общей площади.

По состоянию на 01.01.95 г. в НЧЗ Урала используеся 90,8 тыс.га осушаемых земель, из них 35,1 тыс.га осушается закрытым дренажем и 55,7 тыс.га - сетью открытых каналов, орошаемых -130,0 тыс.га.

3. ПРИРОДНО-МЕАИОРАТИВНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ УРАЛА

В главе рассмотрены существующие схемы природно-мелиоративного районирования, принципы районирования и составления карт районирования природных факторов, типизация болот, районирование Урала по равнообеспеченным величинам естественного увлажнения.

Районируемая территория НЧЗ Урала по природным показателям, охарактеризованным в предыдущем разделе с достаточной глубиной, иллюстрированной на серии основных и вспомогательных карт, подразделена на следующие таксономические единицы: провинции, зоны, области, районы. Исходя из полученных данных климатического характера в НЧЗ Урала выделены провинции ограниченных мелиораций, избыточно влажная, влажная и полувпажная.

Провинция ограниченных мелиораций охватывает Северный Урал и выделена на основании дефицита тепла для всех сельскохозяйственных культурных растений. Ведение сельскохозяйственных работ в избыточно влажной и влажной провинциях возможна при проведении систематических или выборочных осушительных мелиораций. В полувлажной провиции требуются приемы аккумуляции весенней влаги и при интенсивных технологиях сельскохозяйственного производства - орошение.

На основе анализа уклонов поверхности земли, глубины врезов русел рек, глубины залегания УГВ и уклонов их поверхности выделены интенсивно дренированная, дренированная и слабодренированная зоны.

В зависимости от характера связи грунтовых вод с нижележащими напорными зоны подразделены на две области: отсутствие питание фунтовых вод напорными и возможного локального питания фунтовых вод напорными. Область возможного локального питания грунтовых вод напорными представлена в основном Преуральской и Зауральской аккумулятивной равниной, где могут встречаться "тролотческие окна".

На основе дифференцированной оценки выше приведенных таксономических единиц, литологического состава покровных отложений области подразделены на мелиоративные районы. В НЧЗ Урала выделено девять мелиоративных районов:

-северо-западный; -тавдинский;

- верхне-камский; - ирбигский;

- центральный предуральский; - средне-уральский;

- верхне-уфимский; - лесостепной;

- горный.

Выполненное природно-мелиоративное районирование НЧЗ Урала носит регионально-обзорный характер и дает конкретный объективный ответ по размещению переувлажненных земель, их типу, причинам переувлажнения, видам, методам и способам мелиораций этих

земель. Картограммы равнообеспеченных величин естественного увлажнения для пашни, пастбища, сенокосов в критические периоды действия осушительных систем (весна, лето, осень) позволяют производить расчеты приточности к осушительным линиям на площадях атмосферно-намывного и напорного типов питания.

По водному режиму, природным условиям и характеру питания в региональном аспекте, обусловленному климатическими факторами, все болота НЧЗ Урала отнесены к группе сезонного промерзания, т.к. в зимний период (6 - 7 месяцев) верхние слои почв находятся в мерзлом состоянии.

Учитывая естественную дренированностъ территории НЧЗ Урала группа сезонного питания болот разделена на три подгруппы: интенсивно дренированной, дренированной и слабодренированной зон.

В каждой подгруппе в зависимости от преобладающего источника питания выделены три типа болот: низинные, верховые и переходные.

В зависимости от геоморфологического положения болота подразделены на три вида: водораздельные, склоново-террасовые и приречные. К одному из этих видов болота относятся по удельному весу составляющих водного баланса. Наименьшее питание подземными водами получают водораздельные болота, наибольшее - приречные.

По литологии подстилающих торфогрунтов все болота НЧЗ Урала отнесены к одной разновидности - суглино-глинистых отложений с крупнообломочными включениями и песчаными линзами.

Таким образом, в НЧЗ Урала преобладающий тип болот низинный (1,4 млн.га), скло новотеррасовый (65% всего количества болот), подстилаемый суглинками и глинами с крупнообломочными включениями и песчаными линзами.

4. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе охарактеризованы объекты, условия и методы исследований.

Комплекс лабораторно-полевых исследований проведен на реп эезентативных объектах (5 шт.) НЧЗ Урала, охватывающих представительный ряд переувлажненных почв: низинные торфяные, дерново-подзолистые, луговые, серые лесные различной степени оглеения.

Периодом наблюдений (1974-1990 г.г.) охвачены влажные, средние и засушливые годы, а также годы различной теплообеспеченности: теплые, холодные и средние, что позволило объективно выявить закономерности формирования водного баланса и режима на типичных для данного региона объектах.

Полевые воднобалансовые исследования выполнены на торфяных почвах на опытных участках Кунарского и Мостовского болот Свердловской области.

Воднобалансовый участок на Кунарском болоте площадью 32 га заложен в 1976 году ЗТЦ-202 под контролем автора.

Было заложено 14 вариантов осушительных систем с расстоянием между дренами 20,30 и 40 м и глубиной дрен 0,8 и 1,2 м. Дрены заложены двух типов:гончарные шестигранные трубы диаметром 50 мм с водоприемной площадью 7-8 см2/пог.м и гофрированные пластмассовые трубы диаметром 75 мм, которые имеют 6-рядную щелевую лер4»рацию во внутренней волне гофра с водоприемной площадью отверстий 18 см2/пог.м.

Коллекторы выполнены из гончарных труб диаметром 100 мм и каждый из них, объединяющий группу дрен отдельного варианта.выведен в специально оборудованный колодец. Защитно-фильтрующий материал дрен и коллекторов -стеклохолст.

Здесь же изучался осушительный эффект открытой сети каналов с расстоянием между ними 150 м и глубиной 1,2 м.

Почвы воднобалансового участка представлены низинным торфяником мощностью 0,9 - 2,0 м. Торф осоков - тростниковый, древесно-осоковый со степенью разложения 3035%, зольностью 11,9-15% в слое 0-50 см.

НВ верхнего 0.5 м слоя торфа 70-75 % от объема, высота капиллярной каймы 65-80 см. Коэффициент водоотдачи метрового слоя 0.11 -0.15, коэффициент фильтрации 0.5-0.85 мУсутки.

Опытные участки на торфяных почвах Мостовского болота осушаются закрытым гончарным дренажем с расстояниями между дренами 15,30 и 45 м и глубиной заложения дрен 1,1И ,4 и 1,8 м с использованием под картофель, овес на силос и многолетние травы.

Почвы воднобалансового участка площадью 27,3 га представлены низинным торфяником мощностью 1,5-3,0 м. Торф осоковый, реже тростниковый низинный со степенью разложения 25-35%, зольностью 7,2-14% в слое 0-50 см. При переходе к минеральным подстилающим грунтам плотность увеличивается до 2.2г/см1.

Для проведения исследований по работе дренажа на тяжелых минеральных почвах в 1976-1977 г. на болоте Кунарское был построен опытный участок, включающий 9 вариантов закрытого дренажа с расстояниями 12,20,25 м и глубиной заложения 0,9;1,2;1,5 м, и два варианта с закрытыми собирателями глубиной 0,9 м с расстояниями между ними 25 и 35 м. Засыпка траншеи выполнена гумусовым слоем почвы 15 см, затем 30 см щебнем, далее -перемешанным фунтом, вынутым из траншеи. Внутренний диаметр гончарных труб 50 мм. Величина стыковых отверстий выдерживалась в пределах 1 -2 мм. Водоприемная площадь составила 7-8 см2/пог.м. Уклон дрен 0,003. Коллекторы дренажных систем имеют диаметр 100 мм, уложены с уклоном 0,002 и выведены в специально оборудованные колодцы.

На участке с закрытыми собирателями проведено рыхление на глубину 0,6 м рыхлителем РУ-65-2,5.

Опытный участок "Вдоль высоковольтной" Свердловской области был заложен в 1987 г. дреноукладчиками ЭТЦ-202 и МД-4, МД-5. Средняя глубина заложения дрен 1,1м, расстояние между дренами 12 и 18 м. Дрены выполнены из пластмассовых перфорированных труб диаметром 63 мм, обернутых ПЭ-холстом. Коллекторы второго порядка выполнены из гончарных труб диаметром 100 мм, первого - 200 мм, ЗФМ -стеклохолст. Каждый коллектор второго порядка объединяет группу дрен отдельного варианта и выведен в смотровой колодец. На участке испытывались 12 конструкций поглотительных устройств, включающие элементы из отходов текстиля, кольца из пластмассовых труб, отрезки труб и т.д.

Опытный участок представлен лугово-болотными карбонатными почвами.Этоттип почв сформировался в условиях длительного увлажнения с практически постоянной капиллярной каймой на их поверхности.

Объект "Арамильская пойма" находится в 15 км южнее г.Екагеринбурга (ОПХ"Свердповское") и относится к Зауральской холмисто-предгорной южнотаежной провинции. Опытный участок площадью 8,4 га расположен^ нижней части пологого водораздельного,склона с гривисто-ложбинным рельефом. В границах участка уклон поверхности составляет 0,006, направление укпона-юго-восточное.

Закрытый дренаж был заложен в 1984 году дреноукладчиком ЭТЦ-202. Гпубина заложения дрен 1 -1,2 м. Расстояние между дренами 5,10 и 15 м. Дрены выполнены из гончарных труб диаметром 50 мм с водоприемной площадью 7-8 см2/пог.м. Коллекторы изготовлены из гончарных труб диаметром 100 см. Коллектор объединяет группу дрен отдельного варианта и выводится в специально оборудованный колодец. Защитно-фильтрующий материал дрен и коллекторов - стеклохолст.

Параллельно проводились наблюдения на осушительной системе,построенной по

нашему авторскому свидетельству на изобретение (а.с.Ы 990951).

Стационар "Ния" запроектирован институтом Пермгипроводхоз по заданию УралНИИВХ и заложен на территории Ницинского отделения колхоза им.Дзержинскопэ Карагайского района Пермской области. Отделение удалено от центральной усадьбы колхоза д.Ярино на 3 км,от ст. Кара гай на 17 км и располагается в северо-западной чао и Пермской области. Общая площадь стационара "Ния" 17,34 га.

В геоморфологическом отношении осушительная система "Ния" приурочена к бассейну реки Обвы. Участок, выбранный под стационар, представляет собой обширное широковолнистое водораздельное плато. Микрорельеф хорошо выражен - депрессионные понижения с плоским дном глубиной 0,1 -0,3 м и диаметром от 5 до 15 м (отдельные до 30 м) встречаются повсеместно.

Стационар "Ния" включает 11 вариантов различных конструкций дренажных систем. Фоновый вариант с глубоким мелиоративным рыхлением, контрольные участки без дренажа и без рыхления и участок в естественном состоянии. Кроме этого, на примыкающей к стационару "Ния" неосушенной территории было заложено 3 варианта на минеральных пахотных почвах тяжелого механического состава разной степени увлажнения.

Наиболее важными и определяющими условиями для установления причин заболачивания, типа водного питания, выбора метода, а в соответствии с ним и способа мелиорации осушаемых земель являются геологическое строение и гидрогеологические условия.

В диссертационной работе они охарактеризованы с необходимой Шубиной и не противоречат выводу автора о типичности объектов.

Репрезентативность опытных участков для различных почв Предуралья и Зауралья устанавливалась с учетом вероятности совпадения (Р) единичного признака (А,) с эталонным значением:

Р(А0(а<Х<р)= (6)

а а

где: Фр - интеграл вероятности;

сф - соответственно нижняя и верхняя границ диапазона;

X - среднее значение случайной величины;

в - среднеквадратическое отклонение. Границы эталонного диапазона назначались из условия:

(а£) = х±3 (7)

Вероятность совпадения объектов по сумме основных признаков вычислялась как произведение вероятностей:

Рх(П А1)= П хР(АО (8)

Типизация объектов по их водно-физическим свойствам позволяет распространять с высокой. вероятностью (0,60 - 0,93) результаты опытов на перспективное мелиоративное проектирование и строительство в НЧЗ Урала.

Для оценки гидротермических условий периода наблюдений нами выбраны осадки и температура воздуха.

Обеспеченность этих элементов была установлена путем статистической обработки материалов по осадкам и температурам с мая по сентябрь за 34- 36 лег по ближайшим к

опытным объектам метеостанциям.

Периодом наблюдений (1974-1990 г.) охвачены влажные (1978,1980,1983 и 1984 гг.), средние (1979,1981,1982 гг.) и засушливые (1974,1975,1976,1977гг.) годы, а также годы различной теплообеспеченности: теплые -1974,1977,1982 гг., холодные -1978,1980,1983 гг. и средние - 1981,1984 годы, что позволяет объективно выявить закономерности формирования водного баланса и режима на типичных для данного региона переувлажненных объектах.

На водно-балансовых участках "Кунарское", "Мостовское", "Вдоль высоковольтной", "Арамильская пойма" и "Ния" проводился комплекс наблюдений, включающий определение метеорологических условий, гидрофизических характеристик, режима влажности почвы и уровня грунтовых вод, промерзания и оттаивания почвы, запасов воды в снеге. На объектах "Кунарское" и "Арамильская пойма" были организованы лизиметрические наблюдения. Физико-химические, arpo- и биохимические показатели дренажных и фунтовых вод, почв и урожая сельскохозяйственных культур определяли на объектах "Кунарское" (на торфяных почвах), "Вдоль высоковольтной", "Арамильская пойма" и "Ния".

Метеорологические условия определялись в период вегетации (май-сентябрь) на объектах "Кунарское" и "Арамильская пойма" ло профамме работ метеопоста. В середине участков были оборудованы метеоплощадки, где размещались психромефическая будка и будка для самописцев, осадкомер Третьякова и наземный ГР-26, испарометр ГГИ-3000, плювиофаф, термометры для измерения темлерагтуры почвы на поверхности, коленчатые и почвенно-гпубинные термометры. При этом измерялись температура и влажность воздуха, количество осадков, температура почвы, испарение с водной поверхности.

Наблюдения проводились 3 раза в сутки (8,14,20 час.) по методикам, изложенным в "Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам".

В остальное время данные по температуре и влажности воздуха снимались самописцем.

Режим влажности почвы в зоне аэрации определялся термостатно-весовым способом на вариантах опытных систем 1 раз в декаду в течение вегетационного периода и ежемесячно в остальное время года.

На минеральных почвах объектов "Кунарское", "Вдоль высоковольтной" и "Арамильская пойма" влажность почв определялась радиоизотопными приборами НИВ-1, ВПГР-1, физические свойства - ГГП-1 и ППГР-1.

Уровень фунтовых вод измерялся мерной рейкой или "хлопушкой" по скважинам на болотные и почвенно-фунтовые воды глубиной 2,5 м, обсаженным стальными трубами. На объекте "Кунарское" использовались измерения по 74 скважинам на торфяных почвах и по 109 скважинам - на минеральных почвах. На объекте "Вдоль высоковольтной" измерения проводились по 72 скважинам, "Арамильская пойма" - по 36 скважинам, "Ния" - 96 скважинам. Все смотровые скважины пронивелированы и увязаны с дренажными линиями. Замеры уровней производились раз в декаду в зимний период, один раз в пять дней в летний период и ежедневно в период выпадения интенсивных осадков в весенне-летний период.

Поверхностный сток определялся на торфяных почвах объекта "Кунарское" по стоковой площадке размером 0,8 га, которая охватывала систему закрытого дренажа ЗК-4-7. Это позволило установить составляющие дренажного и поверхностного стока. Вода со стоковой площадки поступала в смотровой колодец дрен, в котором был установлен мерный бак с треугольным водосливом и самописцем уровня СУВ-ЗМ "Валдай". В весенний период на стоковой площадке ежедневно измерялась высота снежного покрова и запас воды в снеге.

По аналогичной методике определялся поверхностный сток на минеральных почвах объекта "Кунарское" по стоковой площадке размером 0,2 га.

Дренажный сток определялся объемным способом в устьях коллекторов 2 раза в сутки.

Промерзание и оттаивание определялось по мерзлогомерам Данилина, дополнительно контролировалось ручным бурением и щупом по каждой опытной системе дренажа. Высота снега и запасы воды в нем измерялись по установленным маршрутам (по створам смотровых скважин) снегомерной рейкой и весовым снегомером раз в декаду. Фильтрационные свойства мерзлых почв определялись методом А.К.Болдырева по глубинам 30 и 50 см. В результате исследований доказано, что мерзлые почвы практически водонепроницаемы.

Определение деформаций почвенного профиля под влиянием осушения и криогенных явлений на глубинах 0,20,40,60,80 и 100 см осуществляли методом реперных пластин 20 х20см.

При изучении движения грунтовых и грунтово-напорных вод применялись кусты пьезометров и метод гидроизоллет.

Лизиметрические исследования проводились на объекте "Кунарское" на торфяных и минеральных (дерново-гпеевых) почвах в 1977-1983 гг. и на объекте "Арамильская пойма" на минеральных (серых лесных глеевых) почвах в 1988-1990 гг.

Применяемые в опытах на торфяных почвах водобалансовые лизиметры (8 штук) представляют собой закопанный в землю водонепроницаемый цилиндрический сосуд диаметром 1,0 м, площадью 0,785 кв.м, изготовленный из листового железа толщиной 2,0 мм. Клизиметрам приварены два боковых рукава, один из которых сообщен с донной частью лизиметра через гравийно-песчаный фильтр и предназначен для регулирования воды в самом лизиметре, а другой, открытый снизу, служит для замера уровней грунтовых вод в месте закладки сосуда.

Лизиметры заряжены почвогрунтом ненарушенного естественного сложения (монолитом).

Агротехнические приемы обработки почвы, ухода за посевами, уборки в лизиметрах были идентичны прилегающему опытному участку.

Глубину грунтовых вод в лизиметрах поддерживали постоянной 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 м. Повторность опыта двухкратная.

В лизиметрах и на прилегающем участке в течение вегетации проводились фенологические наблюдения за развитием растений по стандартной методике. Исследования по водному режиму зоны аэрации осуществлялось в комплексе с изучением теплового режима почв.

Температура почвы измерялась на глубинах 0,05; 0,2; 0,4 м и т.д. через 0,2 м до уровня фунтовых вод в каждом из повторностей лизиметров. Измерения проводились раз в три дня с помощью дистанционных электрических термометров АМ-17.

Наряду с суммарным испарением Е проводились исследования по зависимости физического испарения (с оголенной поверхности торфа) .эт глубины грунтовых вод. Наблюдения производили на взвешиваемых на платформенных весах с помощью козлового крана ОПТ-1135 лизиметрах ГР-80. Взвешивание лизиметров производилось раз в десять дней, контроль за уровенным режимом производился ежедневно с фиксированным поддержанием УГВ на глубинах 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 м.

Точность взвешивания составляла 300 г, что позволяло рассчитывать величину испарения с ошибкой не превышающей 1,5 мм.

Расчет выполнялся по формуле:

Р1-Р2

где Р1 ,Р2 - вес лизиметра в предыдущее и текущее взвешивание;

200 - переводной коэффициент в мм;

X - осадки;

К - расход фунтовых вод в зону аэрации;

Л- пополнение фунтовых вод за счет инфильтрации с поверхности почвы.

На минеральных (дерново-глеевых) почвах объекта "Кунарское" использовали шесть металлических лизиметров диаметром 1,2 м, заполненных монолитами фунта на глубину 1,0; 1,5; 1,8 м.

На минеральных (серых лесных глеевых) почвах объекта "Арамильская пойма" нами заложено 1 б лизиметров диаметром 1,2 м, заполненных монолитами фунта на глубину 0,8; 1,3; 1,8; 2,3 м. В 8 лизимефах глубину фунтовых вод в течение вегетационного периода поддерживали постоянной - 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 м и моделировали процессы осушения, в 8 другой фуппы лизиметрах УГВ поддерживали также на этих глубинах, но моделировали при этом процессы орошения, т.е. по мере необходимости производили полив. Влажность почвы измеряли послойно (через 10 см) до фунтовых вод с помощью нейтронного влагомера ВПГР-1.

Лизиметры и участки вокруг них засевали турнепсом (1988 г.) и картофелем (19891990).

Целью лизиметрических исследований являлось изучение влияния глубины стояния фунтовых вод на водный и пищевой режим зоны аэрации серых лесных почв, а также уточнение оптимального режима осушения и обоснование необходимости дополнительного увлажнения для отдельных сельскохозяйственных культур.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в лизиметре за расчетный промежуток времени имеет вид:

Ч\г = Ос-Е + я, (10)

где \Л/ - изменение впагозапасов в зоне аэрации за рассмафиваемый промежуток времени;

Ос- осадки;

Е - суммарное испарение;

q - водообмен зоны аэрации с фунтовыми водами.

4=41-4:. <»)

где q1 - подпитывание зоны аэрации со стороны фунтовых вод;

Ч2 - инфильтрация почвенной влаги в фунтовые воды.

Величину q определяли по количеству долитой или отлитой из лизиметров воды, необходимой для поддержания фунтовых вод на заданной глубине. Слой доливаемой воды, необходимой для компенсации уровня, определялся по формуле:

АС^а Н, (12)

где а - коэффициент водоотдачи;

Н • отклонение уровня воды в лизиметре от фиксированного.

Физико-химические и агрохимические показатели почв определяли по общепринятым методикам.

На территории Нечерноземной зоны Урала приход фотосинтегически активной радиации не лимитирует получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур. При регулировании водного и питательного режимов почв в роли лимитирующего фактора выступает теппообеспеченность вегетационного периода. Расчет уровня планируемого урожая культур (У) проводился по величине биоклиматического потенциала (БКП) по формуле:

У=0,7хБКПхБ, (13)

где Б-балл почвы, определяли по данным института Урапгипрозам.

Биоклиматический потенциал вычислялся по формуле:

ВПК = Кувл.а>10.в/1000 (14)

Коэффициент увлажнения (Кувл.) принимался равным 1.

Расчет доз удобрений на планируемый урожай сельскохозяйственных культур проводился методом элементарного баланса. При этом учитывали отчуждение элементов питания урожаем с соответствующим количеством побочной продукции, обеспеченность почвы подвижными формами ЫРК с применением обобщенных коэффициентов использования питательных веществ почвы и удобрений.

Биохимические показатели урожая сельскохозяйственных культур определяли стандартными методами: сухое вещество (высушиванием в термостате); азот (с реактивом Несслера с последующим фотоэлекгроколоримегрированием (ФЭК)); фосфор (ФЭК), калий (пламенно-фотометрическим методом), сахар (по Бертрану), крахмал (по Эверсу), каротин (извлечением органическими растворителями), нитраты (с применением дисульфофеноловой кислоты). В побочной продукции определяли сухое вещество,азот, фосфор, калий вышеназванными методами.

Учет урожая сельскохозяйственных культур г., - зодили методом взвешивания его со всей учетной делянки, площадь которых составляла 20-100 кв.м. Повторность четырех-пятикратная. Данные по урожайности обработаны методом дисперсионного анализа по Б.А.Доспехову.

Технология выращивания культур на стационарах - общепринятая для зоны.

Физико-химические,агрохимические и биохимические анализы выпопнялись частично в почвенно-грунтовой лаборатории института Свердловскгипроводхоз, на кафедре химии Свердловского СХИ, в Пермском отделе УралНИИВХ, Пермском СХИ.

Химический состав дренажных и грунтовых вод по мелиоративным объектам Зауралья определялся сотрудниками гидрохимической лаборатории УралНИИВХ, а Предуралья - сотрудниками Пермского СХИ.

Таким образом, приведенный перечень наблюдений и опытов на типичных для НЧЗ Урала массивах переувлажненных земель позволили выявить основные закономерности формирования и расчетов водного баланса и режима осушаемых земель, круговорот биогенов в системе почва-растение-дренажные воды.

5. ВОДНЫЙ БАЛАНС И РЕЖИМ ОБЪЕКТОВ МЕЛИОРАЦИИ

В главе рассмотрены водный баланс и режим экспериментальных объектов мелиорации, расчетные схемы и теоретические зависимости по установлению оптимального дренирования длительно сезонномерзлотных почв.

Как показали данные наблюдений водный режим экспериментальных участков в основном опрелеляется режимом атмосферного увлажнения и приотком фунтовых вод и в многолетнем разрезе является устойчивым. В режиме уровней грунтовых вод отмечается их устойчивое зимнее падение вплоть до начала снеготаяния, весенний подъем и один или несколько летне-осенних максимумов. Размер амплитуды зависит от запасов воды в снеге, количества осадков, аккумулирующей емкости почвы, интенсивности инфильтрации и достигает 0.5 - 0.95 м.

При дренировании торфяников режим уровней грунтовых вод складывается в зависимости от параметров осушительной сети и, прежде всего, от глубины заложения дрен и ее конструкции. Исследования показали, что в условиях фунтового притока интенсивностью

0.7 - 3.3 мм/сут наилучшее осушающее действие обеспечил закрытый дренаж глубиной 1.4 -1.8м при расстоянии 20 - 30 м для овощных и пропашных культур, для трав - (30 - 45 м) х (1.2 -1.4 м). При таких параметрах дренажа обеспечивается более высокая на 25 - 50 % интенсивность понижения УГВ, создается влажность почвы близкая к оптимальной (60 -85% ПВ), отводится наибольшее количество избыточных вод (73,8 - 329,3 мм) за сезон по сравнению с дренами Шубиной 0.8 -1.1 м. Максимальные модули стока 1 -% обеспеченности составляют в среднем 0.33 - 0.41 л/с с га. Продолжительность стока зависела от увлажненности предшествующего и следующего за ним года, от интенсивности осушения и составляля 86 - 365 суток.

В зимний период дренаж, сбрасывая избыточную воду, создает значительную аккумулирующую емкость (560 мм и более) к началу снеготаяния.

Установлено, что при атмосферном и атмосферно-грунтовом типе водного питания минеральных переувлажненных земель НЧЗ Урала необходимы закрытый дренаж и собиратели глубиной 1.0 - 1.2 м, закрытые траншеи и поглотительные устройства (в т.ч. колонки-поглотители), заполненные высокофильтрующим материалом (отходами доменного и металлургического производства, шлаками, ПГС, щепой и т.д.), дополняемые глубоким рыхлением с острукгуриванием почвенного профиля. Во всех случаях организация поверхностного стока является одним из главных мероприятий.

Расчетным периодом действия дренажа в условиях НЧЗ Урала является летне-осенний, поверочным - весенний.

Комплексные полевые наблюдения за водным режимом позволили дать анализ многолетних наблюдений за влажностью зоны аэрации при глубине залегания УГВ от 30 до 150 см. Выявлено, что в течение года зона максимальных трансформаций влажности ограничивается верхним 50 - 60 см слоем. Зона слабых изменений влажности мощностью 0.5 - 0.8 м расположена над грунтовыми водами, образующиеся здесь дефициты влаги компенсируются капиллярным подпитыванием. В разрезе гидрологического года режим влажности почвы характеризуется наибольшим весенним макмимумом, который никогда не превышается летом.

Нами проведена математическая обработка опытных данных по промерзанию торфяных и минеральных почв. Расчет произведен на ПЭВМ по разработанной нами программе. Промерзание торфов подчиняется следующей зависимости:

П = -0,023 2 (-1) + 0,41 Н + 11,7 (15)

г = 0,72

0£П£ 70; 200 5 2100; 0<Н£80;

Дерново-глеевых почв:

П = 0,058(20-1.28Н + 27,2 (16)

г =0,82

0 5 Н,,* 150; 200 5 2150; 0 £ Нга «; 80,

где: П-глубина промерзания, см;

£ (• 1) -сумма отрицательных среднесуточных температур воздуха;

г • коэффициент корреляции;

Н - высота снежного покрова, см.

По уравнению (15) рассчитана глубина промерзания почвы и проведено сравнение ее С фактической.

Отклонения вычисленных значений глубины промерзания от фактических за пределы

30% составляет 27,1 % случаев. Это является основанием для рекомендации установленных зависимостей в качестве расчетных при определении глубины промерзания осушаемых почв.

Оттаивание апроксимируется выражением:

Нот = *^ (17)

где: 11 - сумма положительных температур воздуха; - влажность почвы.

Зимой в мерзлом слое накапливается влага за счет ее миграции от фунтовых вод и нижележащих слоев почвы. При этом происходит синхронное падение уровня грунтовых вод. Глубина их стояния к концу зимы увеличивается на 30-70 см по сраинению с предзимним уровнем. К концу зимы влажность в промерзшем слое близка к полной влагоемкости. Значение влагонакопления апроксимируется прямой:

Д\И= 11,6+0,08 (-2 0, (18)

г = 0,94;

5 25Д\У«;80; 200 й(-2г)5 2100, где: ¿Ш - накопление влаги в зоне аэрации за счет миграции из фунтовых вод, мм;

(-10 - сумма отрицательных температур воздуха за холодный период;

г - коэффициент корреляции.

Поверхностный сток с осушаемых почв НЧЗ Урала начинается в среднем через 3-4 суток после наступления положительных среднесуточных температур воздуха и заканчивается через 1 -2 суток после окончания снеготаяния. Средняя продолжительность стока 8-12 суток. Коэффициент поверхностного стока 0,73-0,92. Одновременно наблюдаемый подъем УГВ происходит за счет инфильтрации талых вод по крупным порам и проталинам и бокового периферийного притока.

При стабильном понижении УГВ к концу зимы, малой вариабельности дренажного стока и испарения в период поверхностного стока (Оп) величина последнего в большей степени определяется запасами воды в снеге, осадками за период стока (Рс) и глубиной промерзания (Нм)-

<}п = 0,47 Рс + 16,3, г = 0,85 (19)

<5п = 0,51 Рс + 0,27 Нм, Я = 0,91 (20)

Данные фактических и расчетных по уравнениям (19) и (20) величин поверхностного стока показывают, что средняя ошибка по уравнению не превышает 10%. Полученные уравнения связи и кривые обеспеченности могут быть рекомендованы для расчета величин поверхностного стока с осушаемых земель НЧЗ Урала.

Для летнего периода, кроме наблюдений за поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей, нами была предпринята попытка оценить вероятность появления поверхностного стока аналитическим путем.

В основу расчетов поверхностного стока положен анализ образования воды в результате выпадения осадков. За вегетационный период были проанализированы плювиометрические данные об интенсивности атмосферных осадков более, чем за 30 лет по 14 опорным ГМС НЧЗ Урала. Вероятность поверхностного стока 15,7%.

В результате сделаны следующие выводы:

1. В весенний период наблюдается основной за год поверхностный сток. Формирование его происходит при малой аккумулирующей способности слоя почвы, когда ее протаивание практически еще не произошло.

2. В весенний период на поверхностный сток приходится от 60 до 90% запасов воды в снеге.

3. Анализ материалов за 30 лет показал, что поверхностный сток с мелиорируемых земель в течение вегетационного периода наблюдается, когда интенсивность дождя превышает впитывающую способность лочвы.

Длительная мерзлота и выпадение в вегетационный период интенсивных осадков на хорошо увлажненную почву предполагают сток талых и дождевых вод по поверхности в открытые осушители, проводящую сеть каналов и водоприемник. Понятно, что часть этих вод будет скапливаться в микро- и макропонижениях рельефа, тем самым препятствуя своевременному проведению полевых работ и нормальной вегетации сельскохозяйственных культур. Микропонижения должны быть устранены путем планировки поверхности по окончании строительства мелиоративных систем.

Полный отвод поверхностных вод из замкнутых понижений рекомендуется осуществлять с помощью дренажа с фильтрующей засыпкой, перекрываемой пахотным слоем почвы по нашему а.с. 1656055.

Для усипения действия дренажа в местах концентрированного сбора вод оборудуют колодцы-поглотители таким образом, чтобы они не препятствовали выполнению сельскохозяйственных работ.

Модуль стока для расчета поглотительных устройств следует определять по формупе:

где: ч - расчетный модуль поверхностного стока, л/с • га; П - объем воды в замкнутом понижении, м3;

- площадь затопления, мг; I - продолжительность отвода поверхностной воды из замкнутого понижения, суг; Ки - параметр, учитывающий влияние мерзлоты на приток воды к дрене, для

ранневесеннего периода -0,2, вегетационного -1; qд - расчетный модуль дренажного стока, л/с-га.

Согласно вышеизложенных доказательств в минеральных фунтах ч рассчитываем для ранневесеннего и вегетационного периодов, в торфяных - только для ранневесеннего. При наличии в торфяных почвах щелевого дренажа я не определяют.

Количественная оценка водного режима мелиорируемых земель осуществлялась методом водного баланса по уравнению:

где: Д\Л/ - изменение влагозапасов а зоне аэрации;

ДУ - изменение запасов грунтовых вод, определяемое по формуле: ДУ = цДН;

где: ц - осредненный'коэффициент водоотдачи, определяемый по формуле:

где: ц,, ц2- значения водоотдачи, соответствующие глубинам Н, и Н2 и определяемые по графику ц = / (Н);

(21)

Д \У+Д V = О - Е + (П' • С ) + (П " - С"),

(22)

О-осадки;

Е - суммарное испарение;

П', П" - приток фунтовых вод;

С", С" - отток фунтовых вод.

Приток фунтовых вод в м3/сутки на балансовые участки вычислен по данным наблюдений в створе скважин, размещенных по потоку:

п = <23,

где: В - ширина потока фунтовых вод, притекающего к балансовому участку;

Н', Н" - мощность потока соответственно в нижней и верхней скважинах, отсчитываемая от водоупора;

I - расстояние между скважинами по потоку;

к • коэффициент фильтрации водоносной толщи.

Приток фунтовых вод в мм вычислен по формуле:

где: I - продолжительность периода, сутки;

П - площадь балансового участка, га.

При расчете притока грунтовых вод графики колебания уровней грунтовых вод разбивались на расчетные интервалы времени продолжительностью от 5 до 30 суток, в течение которых характер изменения уровней был одинаков (подъем или спад).

Торфяные почвы: основной приходный элемент водного баланса - атмосферные осадки (81-36%). Доля бокового притока фунтовых вод составляет 19-64% от величины приходной части баланса с учетом изменения запасов грунтовых вод. Расходные статьи водного баланса за май - сентябрь распределяются так: суммарное испарение - 85-60% от Е + Д, дренажный сток-15-40%.

Грунтовый приток воды за май - сентябрь равен 0,7-3,3 мм/сутки.

Минеральные почвы: основной приходный элемент водного баланса - осадки (8066%). Доля бокового притока грунтовых вод составляет 20-34% от величины приходной части баланса с учетом изменения запаса фунтовых вод. Расходные статьи водного баланса за май - сентябрь распределяются так: суммарное испарение - 92-62% от суммы Е + Д, дренажный сток - 8-38%.

Грунтовый приток на массиве за май - сентябрь равен 0,4-0,6 мм/сут.

Многолетние воднобалансовые наблюдения и расчеты позволили наметить пути прогнозирования водного режима на осушаемых землях. Корреляционный анализ данных за год изменения влагозапасов (ДЛЛ/), осадков (Р) и испарения (Е) показал, что коэффициент корреляции первых с осадками за гидрологический год (Р„) составляет 0,63, при учете осадков за предшествующую осень (Р„. + Р,) он повышается до 0,75.

Множественный корреляционный анализ с отдельным учетом вышеуказанных составляющих водного баланса дал следующие уравнения связи:

ДЮ = (\Уа-V?,) = 0,73 Р„ + 0,27 Р0 - 0,95 Е -16; (25)

Л = 0,96.

Следовательно, изменение влагозапасов в текущем году обусловлено на 27% осадками предшествующей осени и на три четверти - осадками текущего года.

Уравнение изменения влагозапасов за лето имеет вид:

Д\У = (\УЖ-= Р,+ся + 0,06 Р„. 0,92 Е3 -21; (26)

К = 0,97,

где: Р,»я - осадки за весну (IV - V) в сумме с запасами воды в снеге. Уравнение изменения влагозапасов за осень имеет вид:

Д\У = (\УЯ-\У„) = 0,96 Ро + 0,01 Рд-1,37 Е0+13,6; (27)

И = 0,98.

Указанные уравнения могут быть использованы для прогноза изменения влагозапасов, что особенно важно для разработки мероприятий по регулированию водного режима в летнее время. Из формулы (26) видно, что изменение влагозапасов за лето обусловлено весенним увлажнением, которое нам известно, и величиной суммарного водопотребления, которое принимается по планируемому водопотреблению. Для лет с заданной или прогнозируемой величиной осадков по зависимости (26) или графику, приведенному в работе, легко определяется величина ДУУ„, а зная влагозапасы на начало лета устанавливается потребность в дополнительном увлажнении.

Фильтрационная обстановка мелиорируемого объекта представлена расчетной фильтрационной схемой, которая служит основой для выбора метода расчета дренажа. Схема может быть составлена для всего массива или чаще для выделенных в процессе изысканий характерных участков. Для построения фильтрационной схемы использованы данные по режиму, строению и структуре потоков, условиям питания, гидравлическим характеристикам водоносных горизонтов, их связи с атмосферой, геометрическому очертанию областей фильтрации и др. (табл. 1).

Отличительной особенностью болот и минеральных переувлажненных земель НЧЗ Урала является глубокое промерзание и длительное существование мерзлоты. Мерзлота практически неводопроницаема, в ранневесенний период не пополняет фунтовых вод (ц = 0), следовательно, будет правомерно приточностъ воды к дренам в этот период определять с учетом слоя мерзлоты а„ по зависимости:

\У = Нсн(1-аг) + (а.ам)« + (р-е)«, (35)

где: \Л/ - количество воды, подлежащее отведению дренажем, мм;

Но, - запас воды в снеге 10%-ной обеспеченности к началу таяния снега, м; а - коэффициент стока талых вод; а - норма осушения к концу расчетного периода, м; а„ - мощность расчетного слоя мерзлоты,м; ц - коэффициент водоотдачи; р - интенсивность атмосферных осадков, м/сут.; е - интенсивность испарения, м/сут.; I - длительность расчетного периода, сут.

Расчетный напор (превышение УГВ в междренье над осью дрен) в весенний период включает напор до 'подошвы* мерзлоты плюс напор от "подошвы* до дневной поверхности почвы, следовательно:

НР = Ь+ДЬ = Ь-0,6(а-!ц1); (36)

где: ДЪ - напор от "подошвы" мерзлоты до дневной поверхности.

В связи с глубоким промерзанием и длительным существованием мерзлоты в почвах и особенностями формирования водного режима предлагается расчет динамики уровней фунтовых вод выполнять для всего вегетационного периода, а не только для весны и осени. Для этого использовали фафо-аналитическую модификацию построения функции

Таблица 1

Аналитические формулы для расчета регулирующей сети при установившейся

фильтрации

Типовая расчетная схема

Расчетные .заеисимости

а) б)

иГ

11 I I I н ITп

$ КгГП J* *

Т=Кгр'Шо(28)! Шв-0,511Р129)

а) Для ьесепнего шиоЭа:

HP=6-0,6(a-QM)(30);

б) Для летпме-осеннего периода: Нр=6-а (ъ\);

по •Ä.H.WlawiUKo, ^76

Ь по (27); TsKrp(ma+m0) (35);

Же по С 29) Нр па (30) или rw(3i);

При В*Хтэ LH3=0,73inaEj|^ +

(та+гт0) яч -(Щ по Л.И. МУрашко,1976

где: В - расстояние меаеду осями дренажных линий, м; L^ - общие фильтрационные сопротивления, м; Нр - расчетный напор, м; Т - проводимость пласта, м2/сут; q -интенсивность инфильтрационного питания, м/сут; Kp - коэффициент фильтрации фунта, м/cyr, гп0 - мощность расчетного слоя грунта,м; в - глубина дрен, м; а - норма осушения к концу расчетного периода, м; а„ - расчетная мощность слоя мерзлоты, м; w - количество воды, подлежащей отведению дренажем, м; Д - наружный диаметр дренажных труб, м; Ф, -фильтрационные сопротивления на несовершенство дренажа по характеру вскрытия пласта.

распределения вероятностей случайных величин. Теоретической основой при выполнении вероятностных расчетов по методике А.Д.Саваренского, 1961, послужил метод расчета динамики УГВ С.Ф.Аверьянова, 1978.

Декадный подъем УГВ при различной обеспеченности осадков и испарения может быть вычислен по формуле:

ДН = Н( 1 ~<рп), (37)

чЬ1

где: Н = - максимальный подъем по Кене;

с

Я - питание дренируемого слоя, мм/сут.

Ч = Ч,+Р, (38)

где: я, - интенсивность фильтрации, мм/суг

О -Е

41 = (39)

где: Ос , Е - соответственно осадки и суммарное испарение за декаду, мм; I - половина расстояния между дренами, м; к - коэффициент фильтрации, м/сут.; Р - интенсивность подпитывания, мм/сут.;

- коэффициент напора, зависящий от относительного времени *= ~ и показывающий, на какую долю от максимальною подъема произошло повышение УГВ в отдельные моменты времени; I - декады вегетационного периода, сут.; Не - "активный слой" фунтовых вод, участвующий в движений к дрене, м.

Нс = Т0 а; Нс = Г (В, г0 =, Тс), (40)

где: В -расстояние между дренами, м; с1 - диаметр дрены, м Т0 - мощность водоносного пласта, м.

Для учета висячести дрен необходимо вводить поправку в значение времени стабилизации:

5Ь2

г= ( <41>

а ь

где: а - коэффициент висячести, определяемый по отношению н и н •

с с

5 - свободная порозность. Декадный спад УГВ определяется по формуле: ДН=НхУга

Начальная глубина фунтовых вод принималась 0.3; 0.5; 0.7; 0.9; 1.1 м и по является слоем мерзлоты при различных сочетаниях климатических факторов.

(42) существу

По предлагаемой методике расчитаны величины подъема и слада фунтовых вод за вегетационный период для 5,10,25,50,75,90 и 95% обеспеченночти декадных осадков. В результате вероятностных расчетов для каждой декады вегетационного периода построены зависимости между обеспеченностью декадных осадклв и вероятностью уровней фунтовых вод при оптимальном технико-экономическом расстоянии между дренами.

Методические предпосылки подекадных вероятностных расчетов уровней фунтовых вод позволили рассчитать режим грунтовых вод вегетационного периода и предложить схемы районирования норм осушения 10,25,50 % обеспеченности НЧЗ Урала.

В зимний период наблюдался подъем торфяной залежи за счет миграции влаги в верхние почвенные горизонты, летом - осадка почвенных горизонтов. Деформация составляла 27 - 65 мм, на глубине 80 -100 см деформации не установлено.

За пятилетний период предварительного осушения осадка торфа составила 12 - 21 см при мощности торфа 0.9 - 2.2 м.

Следовательно, строительную глубину дрен необходимо определять по формуле:

ЬСп> = Ь1Р +8п-8а, (43)

где: Ьтр - требуемая глубина дрен, м;

вп - осадка поверхности залежи, м;

Б, - осадка дрен и коллекторов, м.

Осадка поверхности и профиля торфяной залежи происходит по экспоненте (А.М.Мурашко, 1976):

8п = А01{1-ехр[-Ьс1Р(а+Ы)]}; (44)

8. = А0(1-ЬСТР){1-ехр[-Ьс1Р(с + Л)]}, (45)

где: I - мощность торфяной залежи, м;

I - длительность осушения; в практических расчетах принимается равной 20 - 25 лет;

а = 0,05 - коэффициент скорости осадки поверхности залежи в первый год осушения 1/м;

Ь = 0,007 - то же в последующие годы, 1/м в год;

с - 0,024 - коэффициент скорости осадки дна дрен и коллекторов в первый год осушения, 1/м;

с!» 0,007 - то же в последующие годы, 1/м в год;

А, - коэффициент плотности залежи, определяемый по формуле:

^Г' (4б)

где: ?ск - объемная масса скелета фунта, г/см1.

В формулах значения коэффициентов (а, Ь, с, й) определены по нашим фактическим данным.

6. ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основными задачами лизиметрических исследований являлись определение величин инфильтрации атмосферных осадков, установление объемов испарения с поверхности фунтовых вод, суммарного и физического испарения с различных уровней фунтовых вод. Предельные значения УГВ в лизиметрах охватывали диапазон колебаний уровней грунтовых

вод как на болотах, так и минеральных переувлажненных землях НЧЗ Урала в условиях длительного существования мерзлоты. Экстраполяция полученных результатов с учетом глубин залегания фунтовых вод позволила определить величину испарения с поверхности фунтовых вод и инфильтрации осадков и перейти к расчету суммарного и физического испарения.

Лизиметрические исследования проводились на объекте "Кунарское" на торфяных и минеральных (дерново-глеевых) почвах в 1977-1983 гг. и на объекте "Арамильская пойма" на минеральных (серых лесных глеевых) почвах в 1988-1990 гг. На объекте "Арамильская пойма" лизиметрические опыты моделировались в режиме осушения и орошения.

Методика лизиметрических исследований приведена в главе 4.

В настоящее время предложены формулы для расчета суммарного испарения (испаряемости) А.Н.Костяковым, Н.Н.Ивановым, А.И.Ивицким, В.Ф.Шебеко, А.И.Будаговским, А.И.Дирсе, М.И.Будыко и многими другими. За рубежом эмпирические зависимости получены Лоури-Джонсоном, П.Торнвейтем, Блейни-Криддлом.

Успешное применение отмеченных выше методов,результатов исследований и зависимостей ввиду их предназначения для аридных районов и малой репрезентативности невозможно без соответствующей корректировки при определении суммарного испарения набора основных сельскохозяйственных культур,культивируемых на мелиорируемых длительно сезонномерапотных почвах НЧЗ Урала.

Для оценки точности и применимости рассматриваемых зависимостей проведена статистическая обработка полученных месячных величин испарения. Критериями оценки выбраны следующие показатели:

1 .Стандартная ошибка месячных величин испарения

где: Е1 - месячная величина испарения,мм;

Е • среднеарифметическое значение величин испарения,мм; л - длина ряда.

2.Абсолютная стандартная ошибка ад отклонений расчетных Ер от фактических Еф величин испарения:

З.Относительная стандартная ошибка <т„ отклонений расчетных от фактических величин испарения:

4. Коэффициент корреляции связей:

(47)

(48)

Е,*Ер-Еь*Ер

(50)

Суммарное испарение является основным расходным элементом водного баланса. Результаты сравнительной оценки (стандартная ошибка месячных величин испарения ,

абсолютная и относительная стандартные ошибки расчетных и фактических величин испарения, коэффициент корреляции связей) фактических данных суммарного испарения И испарения с водной поверхности (ГГИ - 3000) в условиях искусственно регулируемых УГВ (Н = 0.5 - 2.0 м) в различные по увлажненности годы с расчетным вoдoпoтpei5neниeм по формулам Н.Н.Иванова, М.И.Будыко, А.Р.Константинова показали, что наиболее приемлемые результаты дают формулы А.Р.Константинова и Н.Н.Иванова.

Физическое испарение с незанятого растительностью торфа составляло 51,4 - 92,3 % испарения с водной поверхности.

Суммарное испарение сельскохозяйственных культур на осушаемых почвах можно определить по формуле:

Ер = Еоха , (51)

где: Ео - испаряемость,определенная по методу А.Р.Константинова или Н.Н.Иванова;

а - поправочный коэффициент на глубину стояния грунтовых вод.

Испарение с незанятого растительностью торфа можно определить по следующей формуле:

Ер = Ео х /3, (52)

где: Ео - испаряемость,определенная по методу А.Р.Константинова;

Р - поправочный коэффициент на глубину стояния фунтовых вод.

Поправочные коэффициенты а и /3 нами рассчитаны. Полученные зависимости связи суммарного испарения и испарения с незанятого растительностью торфа с испаряемостью,вычисленной по методу А.Р.Константинова или Н.Н.Иванова, позволяют по данным стандартной гидрометеорологической информации (температура и абсолютная влажность воздуха) установить характер колебания суммарного испарения и испарения с незанятого растительностью торфа для НЧЗ Урала для целей мелиорации.

Схемы районирования испаряемости 5,10,25,50 и 75% обеспеченностей составлены по вероятностным кривым фактических данных среднемесячных температур и влажности воздуха за период май-сентябрь по 38 гидрометеорологическим станциям Урала. Ряды наблюдений 30-33 года.

Суровые климатические условия НЧЗ Урала осложняют водный режим мелиорируемых земель. Зимой в мерзлый слой мифируег большое количество влаги от фунтовых вод и нижележащих слоев почвы. Лизимефические наблюдения зимнего периода позволили получить зависимость влагонакопления в мерзлом слое от исходной влажности почвы, УГВ и глубины промерзания:

Д\к=10014 [1+ (0,5 в-^Уу-Ап.))-, ]0.5 +24011^(1 - V (1 -\У„р); (53) "в "пр 3

0<Ь <0,7 м

где: Ш - влапонакопление в мерзлом слое,мм; Ь - глубина промерзания.м;

V/ • полная влагоемкость ниже слоя промерзания до глубины залегания фунтовых вод, % от объема;

- влажность почвы в слое промерзания на начало зимы в долях полной влагоемкости; \Л/пр - влажность почвы в слое промерзания на начало зимы,% от объема; Ь - уровень фунтовых вод.

Исследованиями установлено, что в теплый период при наличии мерзлого слоя в

почвенном профиле расход фунтовых вод в зону аэрации равен нулю. В это время отсутствует связь влажности с фунтовыми, так как мерзлая прослойка является своеобразным экраном. Следовательно, за время существования мерзлоты в почвенном профиле говорить о таком определяющем элементе водного режима, как норма осушения, в классическом смысле этого понятия, нельзя. Здесь следует рассматривать влияние Фунтовых вод на режим влажности корнеобитаемого слоя почвы в зимний период, так как именно зимой формируется весенний режим корнеобитаемой зоны и, как следствие, начальный урожай сельскохозяйственных культур. Исследования показали, что начальный урожай сельскохозяйственных культур повышается в сторону глубокого поддержания фунтовых вод зимой (Н > 1.5 м).

Объясняется это тем, что к весне при близком залегании фунтовых вод в мерзлом слое накапливается влага до значения полной влагоемкости (ПВ), которая по мере оттаивания почвы вызывает переувлажнение корнеобитаемого слоя, особенно в апреле -мае, когда начинается вегетация растений. Очевидно, чтобы такого переувлажнения не возникало, накопление влаги за зимний период в мерзлом слое не должно достигать оптимума - наименьшей влагоемкости (НВ). Этот уровень фунтовых вод, как показывают расчеты по формуле (53), составляет более 150 см.

Полученные данные по водопотреблению многолетних трав в условиях оптимального увлажнения позволяют установить величины биоклиматических и биофизических коэффициентов расхода почвенной влаги.

Водопотребление за расчетный период по биоклиматическому методу определяется по зависимости;

Е = к2 а, (54)

где: к - биологический коэффициент водопотребпения, характерный для данной культуры и расчетного периода, мм/мб;

Хй - сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за тот же период, мб.

Водопотребление за расчетный период по биофизическому методу определяется по зависимости:

Е = к2г, (55)

где: к - биофизический коэффициент для данной культуры и расчетного периода,мм/° с;

I - сумма среднесуточных температур воздуха, ° С.

Анализ полученных Ю и Кй показал, что их величины изменяются в течение вегетационного периода, то есть зависят от биофизических и биоклиматических условий произрастания и не в полной мере отображают реальный ход водопотребпения многолетних трав в разрезе декадных интервалов времени. Наименьшей изменчивостью внуфи вегетационного периода обладает коэффициент М (г=0,93), Кс1 отличается большими колебаниями (г=0,38), что объясняется климатическими особенностями зоны. Так, в течение вегетационного периода возможны циклы, когда высокой теплообеспеченности соответствует низкий дефицит влажности воздуха и наоборот.

Данные коэффициенты позволяют применять для Н 43 Урала расчетные и прогнозные методы эксплуатационных режимов осушения и дополнительного увлажнения.

Отток влаги от УГВ обусловлен очень сложным процессом передвижения влаги в зоне аэрации. Фактический опытный материал показывает,что отток влаги от УГВ зависит от литологического состава лочвогрунтов зоны аэрации, глубины залегания УГВ, метеофакторов, характера растительности, степени насыщенности зоны аэрации.

Интенсивность этого потока за декаду описывается уравнением С.Ф.Аверьянова при различных значениях параметра *п":

^(1-Ау, (56)

Кг

где: Е - испарение при глубине стояния УГВ разной, мм; Ео - испаряемость, мм;

И- критическая глубина стояния УГВ, начиная с которой отмечается заметный расход

воды от УГВ на испарение, м; п -показатель степени,изменяющийся от 1 до 3.

Проведенная статистическая обработка показала,что расход фунтовых вод в зону аэрации (г=0,8-0,9) подчиняется экспоненциальной зависимости. Уточненная формула С.Ф.Аверьянова имеет вид: а) турнепс

Ч=Чо(1-Л)и >(г=0,97), (57)

б) картофель

3.0'

Ч=Чо(1-А)21. (^О-9)' (58)

3.0

в) многолетние травы на торфянике

Е^Е.О--^)", (59)

Исследованиями В.Ф.Шебеко, С.И.Харченко, В.Ф.Митина и др. определена зависимость величины подпитывания от влажности почвы и биологических свойств растений. Эти предпосылки интерпретированы в наших условиях при установлении критической глубины грунтовых вод в зависимости от влажности почвы и биологического коэффициента водопотребления:

Ь^-ИТО^Х (60)

где к -коэффициент.учитывающий биологические свойства растений;

Угь полная влагоемкость полуметрового слоя почвы в долях наименьшей влагоемкости; Уф - средняя влагоемкость полуметрового слоя почвы за расчетный промежуток времени при отсутствии влияния фунтовых вод, определяемая по формуле:

где \Л/„\Л/„\№М - начальная, конечная и наименьшая влагоемкость расчетного слоя почвы. Зависимость выражается эмпирическим уравнением:

1Чр = 4,9К( Уж-У, )'•», (62)

Биологический коэффициент К рассчитан по сглаженной криво й отношения текущих и максимальных величин водопотребления (* = Е/Е „„.

Расчет критической глубины фунтовых вод по формуле для лет различной увлажненности показал, что в условиях экспериментального участка декадные значения Кц, изменяется от 0.5 до 3.4 м при среднем значении 2.1 м.

7. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПЕНКА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДНОГО И ПИТАТЕЛЬНОГО РЕЖИМОВ МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ

В главе дана экологи- и инженерно-экономическая оценка интенсивности регулирования водного и питательного режимов мелиорированных земель, программный комплекс расчета на ПЭВМ выноса биогенных веществ и других загрязнений рассеянным стоком с богарных и орошаемых земель, нормирование нагрузок мелиорированных земель на водный объект. Осушение и освоение переувлажненных земель сопровождается нарушением существовавшего равновесия между процессами аккумуляции и разложения органического вещества, минерализация последнего протекает особенно интенсивно в первые годы работы дренажа. Большая часть мелиорируемых земель, особенно вновь осваиваемых, характеризуется невысоким плодородием. Следовательно, мероприятия по окультуриванию почв имеют здесь решающее значение.

Мелиорируемые земли опытных стационаров представлены луговыми тяжелосутинистыми гпеевыми, серыми лесными гпееватыми, дерноео-подзолистыми почвами и торфяными почвами.

Исходный уровень плодородия луговых и серых лесных почв характеризовался высоким содержанием легкопидролизуемого азота (13-29.1 мг/100 г почвы) и средним подвижного фосфора (5-15 мг/100 г почвы), обменным калием - низкая и средняя (6-10 мг/100 г почвы). Природный фон осушаемых дерново-теевых и дерново-глеевагтыхпочв неблагоприятный. Система удобрений на мелиорируемых землях применялась по нашему предложению и предусматривала повышение плодородия и окультуренности почвы. В результате обеспеченность почв азотом поднялась до очень высокой, подвижного фосфора - высокой, калия - среднего и повышенного уровней. Балльность почвы возросла до 90 -96. Следовательно, почвенное плодородие не являлось лимитирующим урожай фактором. На стационаре "Арамильская пойма" осуществлена оптимизация питательного режима орошаемых почв. Исследования проводили по схеме, представляющей собой специально организованную выборку и включающей 24 варианта. За условную единицу принята доза N. Р, К по 30 кг действующего вещества на 1 га.

Размещение делянок рендомизированное, по блокам, повторность 2-», 4-,-кратная. Агротехника картофеля на опытном участке - общепринятая для зоны. За годы исследований, в соответствии с данными наблюдений за влажностью почвы в вегетационный период было проведено 4 полива: 1987 г. -1 полив, 1988 г. -1 полив, 1989 г. - 2 полива. Поливная норма - 200 м5/га В 1990 г. полив не потребовался. Минеральные удобрения вносились на делянках перед предпосадочной культивацией. Экологическая оценка регулирования,.как водного, так и питательного режимов отчасти основывалась нами на контроле за химическим составом дренажных и почвенно-грунтовых вод. , 1 _

Химический состав дренажных1 вод весьма пестрый и зависит от гидрохимических особенностей объектов мелиорации, обслуживаемых системами, доз и видов вносимый минеральных удобрений. Концентрация изучаемых элементов также подвержена большим колебаниям. Особенно это проявляется во влажные годы. 1

В составе дренажного стока преобладает кальций (30,66-144,28 мг/л), магний (3,6581,47 мг/л), натрий (2,25-16,75 мг/л), углерод органический (2,31-12,35 мг/л); из анионов: НСО}- (102,48-475,8 мг/л), Б042- (21,12-67,2 мг/л), С1 - (12,57-157,25 мг/л).' Воды характеризуются близкой к нейтральной и слабощелочной реакцией (рН=6,3 - 7,7). В них сохранялось фоновое превышение ПДК по магнию, трехвалентному железу. Наряду с этим

в отдельные периоды вегетации наблюдалось загрязнение минеральными соединениями азота, углеродом. Азот в форме нитратов мигрирует в значительно больших количествах, чем нитритный и аммонийный.

Фосфор, калий, железо (в форме в составе дренажных вод за все годы наблюдений обнаруживаются в очень малых количествах или их присутствие совсем не удается определить.

Таким образом, только на фоне значительного количества выг авших осадков (530 мм за вегетацию) на вариантах интенсивного осушения агрохимические приемы способствовали эпизодическому загрязнению дренажных вод отдельными биопенными элементами (Мюз, N(02. Дренажные воды имели постоянное превышение ПДКпо трехвалентному железу, магнию. В зависимости от величины рН и содержания Яе*2 в дренажных водах опасность заохривания дрен маловероятна.

В 1986 году на стационаре были заложены лизиметрические опыты с целью определения величины выноса элементов питания за пределы пахотного слоя (0-30 см) и корнеобитаемого (0-60 см) слоев почвы с инфильтрационными водами при орошении и осушении серых лесных гпееватых почв.

В опыте использовались жестяные лизиметры, представляющие собой разновидность лизиметров Шиловой, которые закладывались на глубинах 0-30 и 0-60 см в 2-х кратной повторности. Конструкция этих лизиметров позволяет улавливать инфильтрат вертикального и бокового притоков. Площадь лизиметра - 0,25 м2. Лизиметрические точки были заложены на восьми участках, различающихся между собой уровнем грунтовых вод, видом мелиорации, чередованием культур, удобрением.

Годовые суммы осадков за период 1987-1990 гг. составили 723,4; 232,7; 318,1 и 445,0 мм соответственно. В 1967-1989 гг. на орошаемых участках проводились поливы оросительными нормами 20; 20 и 40 мм соответственно.

В 1937 г. были проведены сезонные определения объема инфильтратов и концентрации элементов питания в них, в результате которых была обнаружена значительная сезонная динамика этих показателей. На основе сезонных наблюдений сделаны следующие выводы:

1. Размеры миграции элементов питания с инфильтрацией воды при орошении подвержены резким колебаниям, которые определяются наличием или отсутствием на поле растений. Несмотря на значительное превышение осадков в теплое время по сравнению с холодным (с оросительной нормой 114 мм), фильтрация воды снизилась, особенно резко из корнеобитаемого слоя (до полного отсутствия на Т-4).

2. Наиболее высокие выносы из корнеобитаемого слоя за зимне-весенний период наблюдались на участке с низким стоянием фунтовых вод (Т-6, УГВ-4,0 м) где большой объем инфильтрата (40 м3/га) сопровождался повышенной концентрацией Са*2 (278,5 мг/ л). Мд*2 (107 мг/л), (8,6мг/л), ^ (0,49 мг/л) и К (0,35 мг/л).

На Т-4 (УГВ-1,8 м) объем инфильтрата из корнеобитаемого слоя,- 12,7 мЗ/га, а элементов питания, соответственно, 116,2; 24,9; 4,18; 0,53; 0,33 мг/л. 1 . ? . > ..

3. На осушаемом участке таких сезонных колебаний не наблюдалось, напротив, объем инфильтрации воды из корнеобитаемого слоя в теплое время даже увеличился с 9,5 до 12.1 м>/га. .. . . . ' ,;; ;;; ,, _

Более полную информацию об экологических последствиях регулирования питательного режима на осушаемых землях дает анализ выноса биофильных элементов дренажными водами.

При этом получены следующие величины потерь, кг/га: НС03- - 190,1-293,32; Са*2 • 80,03-83,62; ЭО/2 - 43,56-48,66; а - 36,32-44,67; Мд'2 -17,83-40,76; - 9,26-10,01; Сорг.

- 6,09-6,22; N - 3,86-4,93; К*-0,134-0,176; Fe*J -0,080-0.085; Р - 0,002-0,006.

Очень слабой водной миграцией по почвенному профилю отличались калий (0,0030,176 кг/га), трехвалентное железо 90,004-0,085 кг/га), фосфор (0,001-0,006 кг/га). Таким образом, наибольший вынос химических элементов из метрового слоя тяжелосуглинистой почвы с дренажным стоком наблюдался во влажный вегетационный период. За вегетацию среднего и сухого годов потери питательных веществ с инфильтрационными водами были незначительными. На вариантах с интенсивным регулированием водного режима отмечены максимальные потери элементов. Установлен следующий порядок вымывания ионов из удобренной осушаемой луговой почвы: НСО'-> Са*2> S04 :> Mg*2> CI-> Na*> Сорг.> N> К*> Fe°> Р. Агрохимические приемы окультуривания с увеличением влажности почвы способствовали повышению естественного фона минерализации дренажных вод. Однако вынос биогенных элементов (N, Р, Fe) из почвы и удобрений дренажным стоком за все годы наблюдений был невелик. Отсюда, дренажные воды не являются опасным источником загрязнения водоприемника.

Урожайность однолетних трав изменялась от 18,5 до 26,8 т/га. Наиболший выход сухого вещества составил 6,38 т/га. Содержание сырого протеина, который является важнейшим показателем биологической ценности корма, колебалось в оптимальных пределах (11 -16 %), общий сбор составил 0.48 - 0.87 т/га, выход кормовых единиц - 4,3 - 6, 6 т/га.

Под влиянием внесенных удобрений в зеленом корме установилось в оптимальных пределах содержание калия (1,38-1,74%), магния (0,25-0,29%), соотношение К/(Са+Мд) (0,951,17).

В последние годы особую остроту приобретают вопросы получения экологически чистой продукции. В клубнях картофеля содержание нитратов в среднем составило 110 мг/кг сырого вещества (при ПДК = 250).

Минимальное количество нитратов имели дозы с преобладанием фосфорно-калийных (114,3), калийных (120,7) и фосфорных (127 мг/1000 г) удобрений и доза ЫМРМК30, максимальное (174,3 мг/1 ООО г) - дозы с преобладанием М-удобрений.

Орошение картофеля в критические периоды позволило стабилизировать урожайность клубней картофеля в первые 3 года исследований - она колебалась по всем вариантам от 17,1 до 33 т/га.

В среднем за 4 года максимальная урожайность получена на вариантах N120P1MK,2o, N(5<lPl50Kl50i NiZOPMKJOi NtsoPeoKjo, NmP1S0K150.

При создании математической модели выноса загрязнений с сельскохозяйственных угодий ставилась задача выбора упрощенных аналогов уравнений гидродинамики, переноса и трансформации загрязняющих веществ с ограниченным числом входных переменных.

При этом учитывались следующие основные положения:

1 .Вынос биогенных веществ пропорционален исходным запасам их подвижных форм в почве и дозам внесения минеральных и органических удоб|>ений. ( -j,

2.Интенси^ность выноса пропорциональна модулю естественного стрка на водосборе и непроизводительном потерям поливной воды. " "•

3.Размеры потерь поливной воды зависят от норм и режимов орошения, применяемой поливной техники, свойств почв.

4.Состав культур и агротехника возделывания влияют на вынос, т.к. они определяют . знамение ряда важнейших исходных параметров (доза удобрений', эрозионная устойчивость почв, оросительные нормы).

5.Прй осуществлении почеозащитных и водоохранных мероприятий учитывается изменение параметров, характеризующих долю осадков и потери поливной воды на сток, а также смыв почв.

б. Вынос биопенных веществ формируется за счет действия эрозионных процессов при движении воды по поверхности почвы и диффузионных процессов в ее поровом пространстве. Эрозионный вынос включает поверхностный смыв и транспортировку частиц почвы вместе с биогенными веществами. Диффузионный вынос происходит при растворении подвижных форм биопенных веществ и переноса в водоемы внутрипочвенным и подземным стоком. Соединения азота выносятся преимущественно в растворенном виде, а соединения фосфора - в составе твердой фракции смытой почвы.

На наш взгляд наиболее полно вышеназванным требованиям отвечает модель расчета выноса биогенных веществ, предложенная ВНИИЗиЗПЭ, 1985, и скорректированная нами, в которой вынос биогенных веществ жидким и твердым стоком представлен в виде функций: Рп =Дс, Wp%, F), (63)

Pr=fl[m,Mp%, F), (64)

где Рп - вынос биогенных веществ поверхностным стоком,

с - концентрация биогенных веществ в стоке, которая рассчитывается по следующей зависимости:

с=(ахДп + вхДу)хКа, (65)

где а - параметр растворимости биогенного элемента в стоке;

Дп - содержание подвижных форм биогенных веществ в пахотном слое;

Ду - доза внесения минеральных и органических удобрений;

8 - параметр перехода удобрений в сток;

Ка - коэффициент, характеризующий относительное влияние агротехнического фона на концентрацию биогенных веществ в стоке;

Wp%- объем стока вероятностью превышения Р%;

F - площадь, для которой производится расчет выноса биогенных веществ;

Рт • вынос биогенных веществ твердым стоком;

m-содержаниебиогенныхвеществвтвердомстоке, которое определяется по формуле: т==(а1хДп+»1хДу)хКа1 (66)

где а, - коэффициент отклонения содержания подвижных форм питательных веществ в твердом стоке и в почве;

в, - параметр влияния удобрений;

Ка,-коэффициент, характеризующий содержание биогенных веществ в твердом стоке в зависимости от агрофона.

Мр%- модуль стока йайосов вероятностью превышения Р%.

Объем жидкого стока (Wp%) и модуль стока наносов (Мр%) вычисляются в соответствии с "Инструкцией по расчету гидрологических характеристи < при проектировании противоэрозионных мероприятий", 1976.

Суммируя значения выноса биогенных веществ поверхностным и твердым стоком, определяют общий суммарный вынос биогенных веществ с исследуемой территории:

Ро = Рп + Рг. (67)

Данная модель принята нами за расчетную, по ней создано программное обеспечение расчета выноса биогенных веществ для ПЭВМ, совместимых с IBM PC/XT, которое апробировано нами на примере бассейнов рек Урап, Тобол, Тура, Ик, а также на Екатеринбургском экспериментальном полигоне, вышеупомянутых объектах мелиорации.

Алгоритм расчета выноса биогенных веществ (б.в.) представлен на рис.1.

Программный комплекс расчета выноса загрязнений, поступающих в водные объекты

Рис. 1. Алгоритм расчета выноса биогенных веществ

с сельскохозяйственных угодий реализован в СУБД (системы управления базами данных) Clipper 5.0.

При разработке программного комплекса ставилась задача создания программного обеспечения удобного для пользователя. Для этого спроектирован гибкий интерфейс комплекса на основе вложенных меню.

Наши исследования показали, что в очень многоводные годы (р>5%) с мелиорированных земель возможно незначительное постыпление биогенов в водные объекты. При этом задача по охране водных объектов от загрязнения может быть решена тремя путями:

- приведением в соответствие стока загрязняющих веществ с мелиоративных систем ( водосборов вообще) и ассимилирующей способности водных объектов;

- созданием водооборотных систем;

- строительством водоочистных сооружений (прудов-деструкторов) с дальнейшим развитием предупредительных водоохранных мероприятий на водосборах.

Наиболее доступным и не требующим капитальных вложений, достаточно надежно решающим задачу охраны водных ресурсов от загрязнения является первый способ, существо которого определяется рациональным распределением площадей гидромелиораций (и других сельхозугодий) в бассейнах ре*. Для его осуществления предложена следующая формула расчета, базирующаяся на уравнении действующих масс:

В соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод", 1991, правую часть уравнения ограничиваем нормативным показателем качества - ЛДК:

Сф х Qo + См х Qm = Св х Qb,

(68)

Сф х Оф + См x Qm = Слдк х Qb, Представляем Qo как разность (Qb-Qm):

Сф^в - Qm) + См х Qm = Спдк х Qb, В результате преобразований:

(69)

(70)

(71)

Делим обе части уравнения на модуль стока с объекта мелиораций Qm: Fmax= 2М(СМ-СФ)

Fmax =

(72)

Fmax=

(73)

П6-^S-

где Спдк - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества,мг/л.

Сф - фоновая концентрация загрязняющего вещества,мг/л;

О, - расход воды в водоприемнике до объекта мелиорации,л/с;

ЧМ - модуль стока с объекта осушения (орошения),мм/суг,

Ов - расход воды в водоприемнике после объекта мелиорации,л/с;

Ртах-максимально допустимая площадь гидромелиорации,га.

Таким образом, в условиях существующего в настоящее время в стране острейшего экономического кризиса, при установлении возможных объемов гидротехнических мелиораций или объемов земледелия вообще можно пользоваться нашим предложением по проведению в соответствие стока загрязняющих веществ и ассимилирующей способности водных объектов.

Экономическая оценка приемов окультуривания и мелиорации почв показала, при проведении неполного комплекса приемов окультуривания (первичное окультуривание) текущие затраты составили 123-143 руб. на 1 га, при интенсивном окультуривании они возросли в2 раэа. Наиболее дешевая продукция получена при неполном комплексе приемов - 2,16-4,05 руб/ц кормовых единиц.

Для установления экономической эффективности осушения торфяных и минеральных почв определены технико-экономические показатели по вариантам осушительной сети.

Стоимость строительства дренажа и открытой сети каналов по вариантам определены на основании фактических объемов работ по применяемым в производстве сметным нормам и расценкам.

Стоимость валовой продукции определялась по цене реализации овса за один центнер кормовых единиц. Предварительно в расчетах для этой цели урожайность сена многолетних трав переведена в кормовые единицы (переводной коэффициент для сена многолетних трав 0,52).

Себестоимость продукции определена по сумме фактических затрат на выращивание урожая сельскохозяйственных культур.

Чистый доход - разность между стоимостью валовой продукции и полной себестоимостью после проведения комплекса мелиоративных работ.

За критерий экономической эффективности осушения нами принят срок окупаемости капитальных вложений в мелиорацию. Он вычислен по зависимости:

ЧД

Эо.= д (75)

где ЧД - чистый доход, полученный с гектара осушаемой площади, руб./га;

С - капитальные вложения (стоимость строительства) в осушение гектара угодий, рубУга;

Эк.в. -коэффициент экономической эффективности капитальных вложений в осушение гектара угодий.

Срок окупаемости капитальных вложений тогда равен:

Т—~ (76)

где Т - срок окупаемости капитальных вложений, лет;

Во всех случаях срок окупаемости капитальных вложений на площадях, осушаемых гончарным дренажем с расстоянием между дренами 15, 30, 45 м и глубиной заложения дрен 1,1; 1,4 и 1,8 при выращивании картофеля, овса на силос и многолетних трав с соблюдением высокого уровня агротехники, составляет 4-8 лет. Меньший срок окупаемости

(4-5 лет) наблюдается при выращивании картофеля и овса на силос, больший (до 8 лет) -при выращивании многолетних трав на сено.

Расчеты экономической эффективности осушения дерново-глеевых почв закрытым дренажем с различными параметрами показывают, что наиболее высокая эффективность получена при осушении дренажем глубиной заложения 1,5 м и расстоянием между дренами 12,0 м.

Во всех других случаях срок окупаемости капитальных вложений на площадях, осушаемых закрытым дренажем с различными параметрами как по глубине заложения дрен, так и по расстоянию между ними, составляет 6-7 лет.

Общая экономическая эффективность затрат на предотвращение загрязнения водотоков (водоемов) биогенными веществами определяется как отношение годового экономического результата к затратам на проведенные водоохранные мероприятия:

Э=|, (77)

где: Э - показатель общей экономической эффективности затрат на водоохранные мероприятия, руб/год;

Р - экономический результат проведения водоохранных мероприятий,руб/год;

3 - приведенные затраты на водоохранные мероприятия.руб.

Экономическим результатом проведения водоохранных мероприятий будет являться величина предотвращенного экономического ущерба:

Р = У„ (руб/год), . (78)

Величина предотвращенного экономического ущерба от загрязнения биогенными веществами (Уп, руб/год) равна разности между величинами полного ущерба (Упол), который имел бы место в случае отказа от водоохранных мероприятий,и остаточным ущербом (Уо) после их проведения:

Уп = Упол - Уо, (79)

Величина полного экономического ущерба (У пол) от загрязнения р.Урал стоками сельхозугодий рассчитывалась как сумма ущербов от загрязнения отдельными элементами: Упол= 2 У1ПМ, (80)

у;«оя=у,М; (81)

где: М)- масса выноса загрязняющего вещества сточными водами,т/год;

У!- норматив платы за выброс загрязняющего вещества,руб/т.

В работе использовались массы выноса загрязняющих веществ по створам р.Урал, притокам, а также по каждому элементу в отдельности.

Сравнительный анализ показал, что основным загрязняющим компонентом с/х стоков являются взвешенные вещества. Фактические их сбросы превышают ПДС иногда в 20 раз.

Вследствие этого основными водоохранными мероприятиями должны быть мероприятия, уменьшающие концентрацию взвешенных веществ в сточных водах.

Мероприятия по охране поверхностных вод (банк данных, имеющийся в РосНИИВХ) позволяют перехватить до 80% взвешенных веществ и влекомых наносов. Таким образом, предотвращенный ущерб составит

Уп = 0,8хУпол = 46,1 млн.руб/год (в ценах 1984 г.)

Расчет затрат на водоохранные мероприятия произведен на ос новании "Сборника цен на проектные и изыскательские работы для строительства", ч.П, разд.27, М., Стройиздат,

Таблица 2

Исходные данные дм построения функции затрат на водоохранные мероприятия на водосборе

N ГШ Перечень водоохраи- них мероприятий (состав сооружений) Приведен. затраты свеж. обор. сброс Массы загрязняющих веществ

тыс.руб. м'/сут м'/сут тыс.м3/сут Взвешен. в-ва,кг/сут Азот, кг/сут Фосфор, кг/сут Сухой остаток, кг/сут

1. Без очистки 0 0 0 10.0 5000 60.0 1.0 1700

2. АВ 181.2 0 0 10.0 3700 60.0 1.0 1694

3. АВ+О 195.6 0 0 10.0 3150 60.0 1.0 1691

4. АВ+О+БА 364.8 0 0 10.0 1600 27.0 0.30 1632

5. АВ+О+БА+БФ 477.6 0 0 10.0 900 18.0 0.20 1624

6. АВ+О+БА+БФ+БП 765.6 0 0 10.0 550 6.6 0.11 1564

7. АВ+О+БАП 695.6 0 0 10.0 1450 17.4 0.29 1556

8. АВ+О+БАП+БП 944.4 0 0 10.0 500 9.0 0.11 1630

9. АВ+О+АБ 846.0 0 0 10.0 1250 18.0 0.25 1627

10. АВ+О+АБ+БП 1146.0 0 0 10.0 200 8.4 0.04 1562

11. АВ-Ю+БА4-БФ+ПФ 1237.2 0 0 10.0 200 3.6 0.10 1557

12. АВ+О+БА+Д 4068.0 0 0 10.0 100 1.2 0.02 340

13. АВ+О+БА+В 3252.0 0 0 10.0 100 27.0 0.30 170

14. АВ+О+БА+ОО 2220.0 0 0 10.0 100 0.02 0.02 34

IS. АВ+О+БА+ЭД 2064.0 0 0 10.0 150 1.2 0.02 32

16. АВ+АО+БА+ИО 3396.0 0 0 10.0 100 1.3 0.02 30.6

17. Лесомелиоративные 213.6 0 0 10.0 1000 30.0 0.60 1693

18. Агротехнические 144.0 0 0 10.0 1500 60.0 0.40 1617

19. Гидротехнические 160.8 0 0 10.0 500 60.0 0.30 1615

Примечание: АВ-аккумулирующий водоем; О- отстойник; БА - биоассимилятор; БФ - биофильтр; БП- биологический пруд; БАЛ -биологический ассимилятор с подрусловым инфклырационным водозабором; АБ- биоассимилятор аэрируемый; ПФ • поля фильтрации; Д -дистилляция; ЭД - алеюродиализ; ОО- обратный осмос; ИО - ионный обмен.

1976 г. Подготовка материалов по данному разделу разработана на уровне ТЭО строительства водоохранных сооружений:

Ктэо = 0,2 -0,36 от затрат на проектные и изыскательские работы. Расчет затрат ведется по формуле:

Зп = (»+вхе)хКхКтэохп, (82)

где: а, в - нормативные коэффициенты "Сборника цен" по типам водоохранных мероприятий; д - производительность одного водоохранного сооружения (тыс.м'/сут); К - понижающий коэффициент; п - количество сооружений одного типа Показатель общей экономической эффективности составит

»"Ггй-34 (83)

Расчеты показывают, что при внедрении природоохранных мероприятий,хроме экологического, будет достигнут и экономический эффект.

Функция затрат рассчитана для сравнительной оценки меролр иятий.с учетом очистки поверхностных водных ресурсов, формирующихся на водосборе, от основных загрязнителей (взвешенные вещества, азот, фосфор, сухой остаток) (табл.2). Поступление загрязненных вод принято для всех мероприятий равным 10,0 тыс.м3/сут.

В результате расчета на ПЭВМ получена формула расчета затрат на природоохранные мероприятия:

3 = -0,069М[-10,42 М 2-1,36М3+3169,8 (84)

11=0,93

где: М, - масса взвешенных веществ; М2 - масса азота; М, - масса сухих веществ.

ОБШИЕ ВЫВОДЫ

1. В НЧЗ Урала интенсификация сельскохозяйственного производства, насыщение рынка сельскохозяйственной продукцией отечественных производителей возможна за счет современных агрогидротехнических экологически безопасных мелиораций как переувлажненных, так и богарных земель, занимающих значительную территорию и обладающих потенциальным плодородием, но неблагоприятным водным режимом, основой регулирования которого является осушение и орошение почв.

2. Комплексное природно-мелиоративное районирование, с учетом агроклиматических, почвенно-литологических, гидрогеологических, геоморфологических условий, позволило выявить наиболее объективные виды мелиорации по четырем провинциям и девяти районам НЧЗ Урала; мелиоративный фонд земель преимущественно расположен в избыточно влажной и влажной провинциях и представлен переувлажненной пашней, заболоченными лугами и пастбищами, сенокосами, нуждающимися в водоотведении, в полувлажной провинции, представленной лесостепным мелиоративным районом, где для интенсивного ведения с/х производства требуется орошение.

3. Водный баланс и режим длительно сезонномерзлотных болот и минеральных

переувлажненных земель НЧЗ Урала в значительной мере определяют сезонное промерзание (более 7 месяцев), накопление влаги в мерзлом слое и являются основными критериями при выборе arpo- и гидротехнических мероприятий. Основными приходными составляющими водного баланса являются атмосферные осадки (36-81%) и фунтовый приток (19-64%); расходными - суммарное испарение (60-85%) и дренажный сток - (1540%). Грунтовое питание - от слабого (q, <0.2 мм/суг) до очень сильного (q, >1.5 мм/суг).

4. Установлено, что в зависимости от типа водного питания болот и минеральных переувлажненных земель НЧЗ Урала необходимо применять следующие способы мелиорации:

- при аггмосферно-грунтовом типе водного питания для торфяных почв - закрытый дренаж глубиной 1.2-1.5м; для овощных и пропашных культур - 20-30м х 1.5м, для трав -30-45мх 1.2-1.4 м;

- при атмосферном и атмосферно-грунтовом типе водного питания для минеральных почв - закрытые дренаж и собиратели на тяжелых почвах 12-20 м, на средних и легких 2025 м с засыпкой траншей высокофильтрующим материалом (шлак, щепа, ПГС и т.д.) глубиной 1.0-1.2 м, дополняемые глубоким рыхлением с оструктуриванием почвенного профиля.

Во всех случаях на торфяных и минеральных почвах организация поверхностного стока (щепевание, кротование, колодцы и колонки-поглотители) является одним из главных мероприятий в осушительных мелиорациях НЧЗ Урала.

5. Расчетным периодом действия дренажа в условиях НЧЗ Урала является летне-осенний, поверочным - весенний.

6. Предложены расчетные схемы дренирования, наилучшим образом учитывающие длительное существование мерзлоты, фильтрационный метод расчета дренажа с использованием обобщенных сопротивлений и метод подекадного расчета динамики грунтовых вод для всего вегетационного периода, основанный на использовании генетических особенностей мерзлоты, массовой климатической информации. Выполнено районирование НЧЗ Урала по нормированным значениям УГВ.

7. На основании длительных лизиметрических (влизиметрах моделировались процессы осушения и осушения-увлажнения) и полевых экспериментальных исследований уточнены и получены расчетные зависимости:

- максимально-возможного испарения;

- накопление влаги в мерзлом слое в зимний период;

- суммарного и физического испарения в зависимости от УГВ;

- зональных биоклиматических и биофизических коэффициентов расхода влаги на 1° С и 1мб дефицита влажности воздуха;

- критической глубины фунтовых вод при расчете подпитывания зоны аэрации.

8. На вьюокоокультуренных почвах НЧЗ Урала в условиях строгой оптимизации водного и питательного режимов вместе с дренажным стоком наблюдается незначительный вынос биогенных веществ (б.в.) исключительно во влажные годы. С орошаемых земель выноса б.в. не обнаружено. Установлен следующий порядок вымывания ионов: HCOy >Са*2 >S04 J >Mg*2> a>Na»> С„ >N> К*> Fe*s> Р.

9. Предложены математическая модель и профаммный комплекс расчета на ПЭВМ выноса зафязнений с сельхозугодий, методика нормирования нафузок мелиорированных земель на водный объект.

10. Сроки окупаемости капитальных вложений на создание мелиоративных систем при выращивании интенсивных культур и многолетних трав в условиях НЧЗ Урала (4-8 лет) меньше нормативных.

11. Предложена методика эколого-экономической оценки водоохранных мероприятий в области с/х производства и мелиорации с использованием функций приведенных затрат.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮШИХ РАБОТАХ:

Авторские свидетельства

1. A.c. 990951 (СССР). Осушительная система (в соавторства с Харитоновым A.A.). Заяви. 27.02.1980; опубл. 21.09.1932.

2. A.c. 1656055 (СССР). Способ строительства дренажа (в соавторстве с СтуцкоЕ.В.). Заяал. 11.10.1988; опубл. 15.02.1991.

3. A.c. 1732863 (СССР). Устройство для перекрытия трубы трубопереезда. Заяал. 29.05.1990; опубл. 15.01.1992.

4. Положительное решение 92 - 000970 (15) 046696. Способ внесения удобрений (в соавторстве с Федоровой Е.В.). Заявл. 16.10.1992. Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента от 31.01.1995.

Монографии и брошюры

5. Дальков М.П., Климко А.И., Кривенок Н.В. и др. Водный режим и сельскохозяйственное использование мелиорируемых земель / Мелиорация земель Урала.

- Вып.4. - Красноярск, 1977. - С.11-122.

6. Останин Д.Д., Дальков М.П.. Свечников И.В., Сыскова И.Н. и др. Рекомендации по созданию и использованию сеяных лугов на осушенных землях Уральского региона Нечерноземной зоны РСФСР. - Свердловск, 1979. - 48 с.

7. Дальков М.П. Временные рекомендации по осушению болот Среднего Урала. -Свердловск, 1982. -18 с.

8. Разорвин И.В., Дальков М.П. и др. Вода и почва. - Свердловск: Средне-Уральское кн. изд-во, 1983. -176 с.

9. Разорвин И.В., Дальков М.П., Харитонов A.A. и др. Система мелиорации земель Свердловской области. - Свердловск, 1985. - 230 с.

10. Черняев А.М., Дальков М.П. и др. Управление водными ресурсами в бассейне реки.

- Екатеринбург. РосНИИВХ, 1993. -120 с.

11. Черняев A.M., Дальков М.П., Асонов A.M. и др. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе. - Екатеринбург РосНИИВХ, 1994. -160 с.

12. Черняев А.М., Дальков М.П., Прохорова Н.Б. Государственная политика устойчивого водопользования в РФ и ее научное обеспечение. - Екатеринбург: РосНИИВХ, 1996. - 37 с.

13. Черняев A.M., Дальков М.П., Шахов И.С., Прохорова Н.Б. Бассейн. Эколого-водохозяйственные проблемы, рациональное водопользование. - Екатеринбург: РосНИИВХ, 1995.-366 с.

14. Черняев A.M., Дальков М.П., Прохорова Н.Б., Шахов И.С. Бассейн - II. Стратегия управления устойчивым водопользованием. - Екатеринбург. РосНИИВХ, 1997.-237 с.

15. Разорвин И.В., Дальков М.П. и др. Руководство по улучшению естественных и созданию культурных сенокосов и пастбищ в Свердловской области. - Свердловск, 1986. -54с.

Статьи, тезисы, отчеты о НИР

16. Баранов В.М., Дальков М.П. Водно-тепповой режим болота Мостовское Свердловской области /Мелиорация земель Урала. - Вып.2. - Л., 1975. - С.164-167.

17. Дальков М.П., Безгубенко К.П. Влияние глубины промерзания лочвогрунтов на действие дренажа/ Осушение и осушительно-увпажнительные системы. Мелиорация земель

Урала. - Вып.6. - Красноярск, 1979. - С.82-88.

18. Дальков М.П. Пластмассовый вместо гончарного//Уральские нивы. -1978, № 4. -С.45-46.

19. Дальков М.П..Разорвин И.В. Мелиорация переувлажненных и заболоченных земель Урала / Научно-технические проблемы водного хозяйства Урала и пути их решения. -Красноярск, 1980. - С.55-63.

20. Дальков М.П. Из опыта осушения торфяных почв Среднего Урала закрытым дренажем // Тезисы докладов секции осушения ВАСХНИЛ. • Тюмень, 1981. - С. 12-14.

21. Дальков М.П. Особенности водопотребления многолетних трав на Среднем Урале // Экспресс-информация ЦБНТИ Минводхоза СССР. - Вып.8, сер.2. - М., 1984. - С.1-7.

22. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Влияние уровня фунтовых вод на продуктивность многолетних трав // Информационный листок ЦНТИ. - Свердловск, 1985.

23. Разработать методы и технические средства мелиорации и освоения переувлажненных земель: Отчет о НИР / УралНИ И ВХ. № ГР 81066582. - Свердловск, 1985. -240 с.

24. Разработать способы осушения и конструкции осушительных систем для условий глубокого промерзания: Отчет о НИР / УралНИИВХ. Na ГР 81066537. - Свердловск, 1985. -155 с.

25. Дальков М.П., Борисова Г.Г., Макарова E.H. Мифация биогенных элементов в гидроморфных почвах Среднего Урала II Мелиорация и водное хозяйство. - 1992, № 1. -С.29-30.

26. Дальков М.П., Борисова Г.Г., Кривенок И.В. Влияние сельскохозяйственного производства на состояние водных ресурсов бассейна р.Туры // Управление водным хозяйством России. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Екатеринбург: РосНИИВХ, 1993. - С.32-33.

27. Дальков М.П., Федорова Е.В. Методы и способы регулирования ливневого и паводкового стока на водосборе // Управление водным хозяйством России. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург: РосНИИВХ, 1993. - С.34.

28. Дальков М.П., Борисова Г.Г., Кривенок И.В. Оценка влияния сельскохозяйственной деятельности в бассейне р.Тобол на формирование качества речных вод // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 1994. - С.37.

29. Дальков М.П., Борисова Г.Г., Макарова E.H. Оценка влияния диффузных источников зафязнения на формирование качества речных вод // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 1994. - С.38.

30. Дальков М.П., Федорова Е.В., Макарова E.H. Регулирование ливневого и паводкового стоков на водосборе агромелиоративными приемами II Материалы Всероссийской научКо-практической конференции. - Екатеринбург, 1994. - С.40.

31. Рыбаков Ю.С., Дальков М.П., Дрейпа Е.Ф., Злобина Г.С. Использование гидролизного лигнина для очистки диффузных и других источников зафязнения водных объектов И Тезисы докладов научно-технической конференции "Техноген-97". - Екатеринбург, 1997. - С.21-22.

32. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Пути совершенствования политики управления водосбором в рамках влияния на водоснабжение Екатеринбурга // Тезисы докладов III Международной выставки-семинара "Чистая вода Урала -96". - Екатеринбург, 1996. - С.24-25.

33. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Водосбор и формирование качества водных ресурсов // Тезисы докладов на Международном семинаре "К здоровой воде - совершенствуя управление". - Екатеринбург: РосНИИВХ, 1996. - С.102-106.

34. Черняев A.M., Дальков М.П., Прохорова Н.Б. Управление водными ресурсами в

России и концепция устойчивого водопользования //Тезисы докладов на Международном семинаре "К здоровой воде-совершенствуя управление". •Екатеринбург РосНИИВХ, 1996.

- С. 15-26.

35. Макарова E.H., Дальков М.П. Оптимальное водолотребление при выращивании сельскохозяйственных культур II Материалы Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием". - М., 1997. - С.125-126.

36. Дальков М.П., Гусев В.П., Федоров В.Н., Одинцева Г.Я., Борисова Г.Г. Природоохранные мероприятия при мелиорации земель в Уральском регионе II Материалы Советско-Финляндского симпозиума 'Экологические аспекты агротехнических и мелиоративных мероприятий. Экономические аспекты взаимовыгодного сотрудничества".

- М., 1991. -С.57-60.

37. Борисова Г.Г., Дальков М.П., Макарова E.H. Воздействие рассредоточенных источников загрязнения на состояние водных ресурсов // Тезисы докладов 2-го Международного конгресса "Вода: экология и технология". - М., 1996. - С.22-23.

38. Федорова Е.В., Дальков М.П., Макарова E.H. Формирование ресурса и качества воды в реке в период дождевых паводков //Тезисы докладов 2-го Международного конгресса "Вода: экология и технология". - М„ 1996. - С.96-97.

39. ЧерняевА.М., ДальковМ.П., Прохорова Н.Б. Государственная политика устойчивого водопользования в Российской Федерации /Яезисы докладов 2-го Международного конгресса "Вода: экология и технология". - М., 1996. - С.100-101.

40. Черняев A.M., Дальков М.П., Прохорова Н.Б. Водная безопасность и российская политика устойчивого водопользования II Материалы научно-технической конференции. -Минск, 1996.-С.36-38.

41. Дальков М.П., Федорова Е.В. Аккумулирование влаги на склонах с целью снижения эрозии почв и защиты водных объектов от загрязнений II Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тезисы докладов II республиканской научной конференции.

- Казань, 1995.-С.43.

42. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Влияние водосбора на формирование качества воды в р.Ик // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тезисы докладов II республиканской научной конференции. - Казань, 1995. - С.22.

43. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Зависимость качества речного стока от водности в условияхантропизации водосбора// Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования: Материалы Всероссийской конференции. - Екатеринбург РосНИИВХ, 1996,-С.19.

44. Д альков М.П., Борисова Г.Г. Влияние антропогенно-трансформированного водосбора на формирование качества речных вод // Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий: Тезисы докладов научно-практической конференции. - Уфа, 1994. - С.31.

45. Дальков М.П., Федорова Е.В. Методические вопросы выделения водоохранных зон и прибрежных полос II Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий: Тезисы докладов научно-практической конференции. - Уфа, 1994.-С.28.