Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Геоинформационный мониторинг и прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат диссертации по теме "Геоинформационный мониторинг и прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья"
На правах рукописи
005003338
уй
Фалькович Александр Савельевич
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА ТЕМНО-КАШТАНОВЫХ ПОЧВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель
-1 ДЕК 2011
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Волгоград - 2011
005003338
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
Научный доктор сельскохозяйственных наук, профессор
консультант: Пронько Нина Анатольевна
Официальные Член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук,
оппоненты: профессор Ольгаренко Владимир Иванович
доктор технических наук, профессор Юрченко Ирина Федоровна
доктор технических наук, профессор Сухарев Юрий Иванович
Ведущая организация:
Российский НИИ проблем мелиорации (г. Новочеркасск)
Защита диссертации состоится « 22 » декабря 2011 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, Волгоград, пр. Университетский 26, ВГСХА, ауд. 214.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГСХА»
Автореферат разослан «_/У_» /юЛ^^2011 г. и опубликован на сайте ВАК
Учёный секретарь
диссертационного совета, профессор
А.И.Ряднов
Актуальность работы. В Нижнем Поволжье в результате широкой ирригации, развернутой во второй половине XX века, и сокращения площадей регулярного орошения после 1990 гг. дважды происходило резкое изменение водного баланса значительных территорий.
Увеличение приходной части водного баланса при орошении значительных территорий региона вызвало развитие многих деградационных процессов. Среди них наибольший вред был нанесен подъемом уровня грунтовых вод, вторичным засолением и осолонцеванием. Спустя тридцать лет после начала широкой ирригации, доля мелиоративно неблагополучных земель возросла до 26,9 % в Саратовской области и до 20,8% - в Волгоградской. Грунтовые воды поднялись до глубины менее 2 м в Саратовской области на площади -14,0, Волгоградской -7,9, Астраханской - 6,5 тыс. гектар. Площадь засоленных земель составила 13,9; 37,5; 30,7 тыс. гектар. Все эти негативные процессы обусловили недостаточную продуктивность орошаемых агроланд-шафтов региона и низкую стабильность производства растениеводческой продукции на них. Поэтому в 1980-90-х годах значительная часть деградированных орошаемых земель была списана и перешла в разряд неорошаемых или выведенных из сельскохозяйственного оборота. Последующий характер происходящих в них почвенно-мелиоративных процессов не изучен.
Одна из основных причин ухудшения мелиоративного состояния орошаемых агроландшафтов региона кроется в низкой обоснованности проектных решений строительства большинства оросительных систем, введенных в эксплуатацию во второй половине XX века, вследствие отсутствия или низкого качества прогнозирования на основе математического моделирования водно-солевого режима орошаемых земель. Математические модели, адекватно описывающие данный процесс, были разработаны позднее Л.М. Рексом и A.M. Якиревичем (1981), Я.А. Пачепским, Е. Мироненко и P.A. Шеста-ковым (1983), Р. Феддесом (1978). Однако для их практического использования крайне недостаточной была изученность физических свойств и параметров миграции влаги и солей для зональных почв. Не менее важной причиной роста площадей мелиоративно неблагополучных земель была слабая обоснованность эксплуатационных режимов орошения результатами мониторинга мелиоративного состояния земель. При этом негативную роль играла устаревшая система мониторинга солевого режима, базирующаяся на использовании устаревших бумажных носителей географически непривязанной ин-
формации, в которой отсутствовал долговременный прогноз изменения уровня грунтовых вод и засоления.
В связи с этим весьма актуальной проблемой для науки и практики является экспериментальное изучение физических свойств и процессов влаго-солепереноса в зональных почвах, обеспечивающих возможность его моделирования и повышения точности прогноза водного и солевого режима и совершенствование системы его мониторинга.
Целью диссертационной работы являлось прогнозирование мелиоративного состояния темно-каштановых почв Нижнего Поволжья на основе совершенствования мониторинга водно-солевого режима и разработки базы данных и знаний для его моделирования.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
1) разработать концепцию мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;
2) изучить водно-солевой режим на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;
3) разработать программные средства для построения функции влагопро-водности и экспериментально определить параметры: фильтрационные, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв Нижнего Поволжья;
4) выполнить моделирование водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;
5) разработать базу данных и структуру базы знаний для моделирования влаго- и солепереноса;
6) разработать метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования. Методы исследований. В работе использовались теоретические методы исследования - математическое моделирование, системный анализ, геоинформационное моделирование и геоинформационный анализ, математическая статистика и экспериментальные методы - полевые и лабораторные опыты по изучению фильтрационных параметров, гидрофизических функ-
ций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв, изменения водно-солевого режима мелиорированных территорий после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования.
Объекты исследований: орошаемые темно-каштановые почвы: авто-морфные, гидроморфные, неосолонцованные, осолонцованные, трещиноватые, нетрещиноватые; мелиоративно неблагополучные длительно орошавшиеся земли, на которых было прекращено орошение, находящиеся в сельскохозяйственном использовании, и выведенные из категории пахотных.
Предмет исследований: процесс влагосолепереноса.
Научная новизна состоит в том, что: впервые разработаны концепция геоинформационного мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья и метод прогнозирования солевого режима почв, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования; определены значения фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ для орошаемых темно-каштановых почв; установлены закономерности изменения: солевого режима мелиоративно неблагополучных мелиорированных земель после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования, значений фильтрационных параметров, гидрофизических функций и миграции растворенных веществ под влиянием искусственного гидроморфизма и осолонцевания; создана база данных и структура базы знаний для моделирования солепереноса.
Положения, выносимые на защиту:
- концепция мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;
- закономерности изменения водно-солевого режима на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;
- экспериментально определенные значения комплекса параметров, необходимых для моделирования влаго- и солепереноса, - гидрофизических функций, фильтрационных свойств почв и подстилающих пород с различной выраженностью трещиноватости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвах;
- база данных и структура базы знаний для моделирования влаго- и солепереноса;
- результаты моделирования водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;
- метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретический вклад работы заключается в выявлении закономерностей солевого режима длительно орошавшихся темно-каштановых почв в результате изменения водного баланса мелиорированных территорий Нижнего Поволжья из-за уменьшения или прекращения водоподачи; определении основных гидрофизических свойств и параметров, определяющих влагосолеперенос в региональных почвах, и установлении закономерностей их трансформации под влиянием ме-лиоративно неблагополучных процессов; разработке метода ГИС-прогнозирования солевого режима почв.
Практическая значимость заключается в том, что использование для моделирования солевого режима темно-каштановых почв базы данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров и параметров миграции растворенных веществ почв, закономерностей их изменения в процессе техногенеза повысит качество прогнозирования солевого режима и обоснованность принимаемых проектных решений строительства и реконструкции оросительных систем в регионе. Внедрение предлагаемой системы мониторинга солевого режима обеспечит сохранение благоприятного эколого-мелиоративного состояния поливных агроландшафтов Нижнего Поволжья за счет предотвращения негативных процессов подъема уровня грунтовых вод и засоления.
Достоверность полученных результатов, разработанных положений и выводов подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного с применением утвержденных ГОСТов; применением современных методов математической обработки результатов исследований с использованием ЭВМ; хорошим соответствием между расчетными и экспериментальными данными, подтвержденным методами математической статистики.
Личный вклад автора. Научные разработки, составляющие суть данной работы (научная гипотеза, постановка целей и задач исследований, вы-
бор путей их теоретического и экспериментального решения, проведение экспериментальных исследований, решение дифференциального уравнения влагопереноса, алгоритм и программа для расчета коэффициентов влагопро-водности и результаты расчетов по определению значений параметров миграции влаги и солей в почвах исследуемого региона, анализ полученных результатов, выводы и предложения производству), выполнены лично автором.
Реализация результатов исследований. Геоинформационный мониторинг солевого режима орошаемых почв внедрен на поливных землях ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области площадью 1665 га и на орошаемых и богарных землях ЗАО «Новое» Энгельсского района Саратовской области на площади 2500 га с экономическим эффектом от повышения качества управления плодородием орошаемых земель соответственно 920 и 820 руб./га. Внедрение программных средств прогнозирования солевого режима в Саратовской гидромелиоративной партии при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз» на площади 257,3 тыс. га снизило трудовые и материальные затраты на проведение полевых работ и обработку данных химических анализов с суммарным экономическим эффектом 112 тыс. руб. в год.
Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2003); «Агроэколо-гические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005); «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); «100-летие мелиоративной науки в России, 85-летие ВНИИГиМ» (Москва, 2009); международном совещании, посвященном 10-летию Саратовского филиала ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Саратов, 2005); всероссийских научно-практических конференциях, посвященных 117, 118, 119, 120-летию со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2004-2007), всероссийских научных конференциях «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» и «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003, 2005); Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летию Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино, 2010); научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вави-
лова (Саратов, 2001-2011); конференции, посвященной 40-летию ФГНУ ВолжНИИГиМ (Саратов, 2006); 4 и 6 Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009 и 2011).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, из них 2 монографии, 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 39 статей в сборниках научных работ, в том числе по материалам международных и всероссийских научно-технических конференций. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 46 п.л., из них доля автора - 18 п.л.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов и предложений производству, списка литературы, включающего 419 наименований, в том числе 45 на иностранных языках, 4 приложения. Основная часть работы изложена на 301 странице машинописного текста и содержит 86 рисунков и 50 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, дана методология проведения исследований, приведены новизна и практическая значимость полученных результатов В первой главе «Состояние изученности проблемы и обоснование направлений исследований» выполнен анализ понятийного аппарата, рассмотрена история теории о движении влаги и солей в почве, в результате которого формируются водный и солевой режимы; развития математического моделирования этих процессов. Проанализированы основные результаты изучения водно-солевого режима почв в Нижнем Поволжье; определения параметров влаго- и солепереноса в почвах и подстилающих породах; создания информационных технологий управления мелиоративным режимом почв; выполнен аналитический обзор существующих концепций мониторинга водно-солевого режима мелиорированных земель.
Основной вклад в теорию влагопереноса внесли А. Клют, Л. Ричарде, С.Ф. Аверьянов, А.Д. Воронин, А.М. Глобус, Р. Хенкс, Г. Ашкрофт. Для описания движения влаги в не полностью насыщенной почве в настоящее время используются две функции - зависимость влажности почвы \у от потенциала почвенной влаги Р (РМ), или основная гидрофизическая характеристика или кривая водоудерживания, и зависимость коэффициента влагопроводности от
потенциала почвенной влаги - функция влагопроводности. Эти две функции зависят от строения почвы. Разработано большое количество математических моделей функций водоудерживающей и водопроводящей способности почв (А.М.Глобус, A.M. Зейлигер, Я.А.Пачепский, Ф.В.Серебренников и др.). Для условий неполного насыщения Ван Генухтен предложил основную гидрофизическую характеристику определять по уравнению:
влажность почвы; Ksa, - коэффициент фильтрации, см/сут; 9sa, и вге$ - полная влагоемкость и остаточная влажность, доли объема; а - эмпирический параметр, см"1; п, m и Л - безразмерные эмпирические параметры.
В настоящее время широкое распространение получили педотрансфер-ные почвенные функции, использующиеся для расчета параметров основной гидрофизической характеристики и функции влагопроводности по базовым почвенным свойствам в качестве альтернативы экспериментальному их определению (D. Hillel, E.B. Шеин, Т.А. Архангельская, J.H.M. Wösten, P.A. Finke, M. Jansen, H. Vereecken, J. Diels, J. van Orshoven, J. Feyen, J. Bouma).
Солевой режим в почвах каштанового ряда изменяется в результате следующих основных процессов: конвекции, диффузии, ионообменного взаимодействия между поровым раствором и почвенно-поглощающим комплексом и процессом растворения-кристаллизации солей.
Конвективную диффузию в пористой среде впервые описал Ч. Слихтер. Она и связанные с ней задачи подробно исследовались применительно к почвам и подстилающим породам в работах JI.M. Рекса, В.М. Шестакова, Е.В. Мироненко, Я.А. Пачепского, Е.В. Шеина, Дж. Бэра, C.B. Аверьянова, H. Н. Веригина, А. Е. Орадовской. В 1960-е годы выяснилось, что вынос солей из почв и подстилающих пород с тяжелым гранулометрическим составом (распространенных, в частности, в Поволжье) происходит значительно медленнее, чем это могло бы быть объяснено уравнением конвективной диффузии. Для описания данного эффекта К. Коатсом, Б. Смитом, Л.Б. Дворкиным была предложена модель двухфазного порового пространства.
Учитывая огромную роль водного и связанного с ним солевого режимов почв в продуктивности агроценозов, теория засоления почв постоянно
Г
, а Муалем - функцию влагопроводности по за-
висимости:
Ш=^[î-M""')"I, где£=[е-огЖ„, - О
относительная
совершенствовалась. В 1960-90-е годы были разработаны и стали широко применяться для прогнозирования солевого режима почв модели влагосоле-переноса C.B. Аверьянова, JI.M. Рекса, A.M. Якиревича, J1.B. Кирейчевой, В .А. Барона, Д.Ф. Шульгина, В.Е. Клыкова и И.П. Айдарова, Ю.И. Сухарева, Я.А. Пачепского, Е.В. Мироненко, P.A. Щербакова, модель SWAP, разработанная учеными Вагенингенского университета под руководством Р. Федде-са.
С развитием широкой ирригации в Поволжье усилилось внимание к экспериментальному изучению процессов переноса влаги и солей в орошаемых почвах региона. Вклад в эти исследования внесли И.А. Кузник, М.С. Григоров, А.И. Хохлов, С. В. Затинацкий, Т.К. Платонова и М.Я. Фишман, A.A. Волохова, Е.В. Вадовская и Б.И. Костин, Н.С. Кистанов, В.В. Коверчен-ко и Т.В. Коверченко.
С развитием математического моделирования влагопереноса в почвах возросла необходимость в экспериментальных определениях значений параметров гидрофизических функций для почв Поволжья. Работы в этом направлении проводились Б.А. Файбишенко, Е.В.Лизуновым, И.А. Кузником, П.Н. Проездовым, М.Я. Фишманом и Б.И.Костиным, Т.К. Платоновой, A.C. Фальковичем, Л.Г. Романовой.
Одной из важнейших причин мелиоративного неблагополучия орошаемых агроландшафтов является низкое качество управления их эксплуатацией в связи с неполнотой и нечеткостью информации о процессах, протекающих в системе «почва - вода - растение», неформализованностью и неструктурированностью большей части знаний мелиоративной, сельскохозяйственной и почвоведческой науки. Решение данной проблемы невозможно без информационных технологий. Они призваны решить задачи автоматизации хранения, первичной обработки и поиска разнородной информации, связанной с мелиоративными процессами, качественной оценки количественных характеристик состояния компонентов мелиорированных агроландшафтов, которые решаются с помощью создания баз данных, и разработки рекомендаций для мелиоративной деятельности на основе создания информационно-советующих систем и баз знаний, которые должны опираться на информацию, хранящуюся в соответствующих базах данных. В настоящее время в странах ЕС развиваются национальные и общеевропейские атрибутивные базы данных почвенной информации, такие, как SOTER и EUSIS. В нашей
стране основные принципы создания баз данных и знаний почвенно-мелиоративной информации разрабатывались Л.М. Рексом, В.А.Рожковым, И.Ф. Юрченко. Над созданием баз данных работали В.В. Корсак, О.Ю. Холу-денева, H.A. Пронько. Наиболее существенные разработки по созданию информационных технологий по формулированию рекомендаций для мелиоративной деятельности относятся к программным комплексам по управлению водным режимом (В.П. Остапчик, Е.П. Галямин, JI.A. Масленников, В.И. Ольгаренко, H.A. Пронько, В.В. Корсак, Е.Э. Сергеева, Э.П. Кондаков, Е.В. Луценко, Т.Н. Сафронова).
Большое внимание в последнее время уделяется уточнению понятий «мониторинг» и «система почвенного мониторинга». На Конференции по окружающей среде (Стокгольм, 1972) под мониторингом было решено понимать «комплексную систему наблюдения, оценки и прогноза состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов». Исходя из международно признанного понятия мониторинга окружающей среды, Федеральным законом России «О мелиорации земель» предусматривается систематическое проведение мониторинга мелиорированных земель с целью выявления изменений их мелиоративного состояния. Целями мониторинга являются: рационализация землепользования; информационное обеспечение государственного земельного кадастра; контроль эффективности мелиоративных мероприятий; своевременное выявление изменений мелиоративного состояния земель, их оценка, прогноз, предупреждение и устранение последствий негативных процессов и явлений, вызванных мелиорацией.
Основные принципы мониторинга мелиорированных земель разработаны Б.В. Виноградовым, А.И. Головановым и И.В. Корнеевым, Ю.А. Изра-элем, H.A. Муромцевым, H.A. Пронько, В.В. Корсаком, Т.В. Корневой. При этом разработка системы мониторинга должна основываться на цифровой карте мелиорированных земель и опираться на современные геоинформационные технологии (И.Ф. Юрченко, H.A. Пронько, Л.И. Пермитина, Т.В. Кор-нева, В.В. Корсак, Д.А. Рогачев).
Анализ состояния изученности проблемной области, выполненный с целью выбора основных направлений исследований, показал следующее:
1. Активное изучение водного и солевого режимов орошаемых почв Поволжья происходило в период антропогенного изменения водного баланса значительных территорий, обусловленного вследствие ирригации увеличени-
ем его приходной статьи. Исследований изменения водного и солевого режимов этих земель после прекращения на них орошения не проводилось.
2. Для прогнозирования солевого режима на основе разработанных в 1980-90 гг. моделей влагосолепереноса необходимо знание широкого набора параметров зональных орошаемых почв региона. Однако экспериментальные определения гидрофизических функции, коэффициентов фильтрации и параметров переноса растворенных веществ носили спорадический характер, не охватывали все многообразие почвенных разностей. Практически не изученным оставалось влияние смены типа водного питания, вторичного засоления и вторичного осолонцевания, трещиноватости орошаемых почв на изменение значений обозначенных выше параметров.
3. Действующая система мониторинга водного и солевого режима, осуществляемая специальными службами, сводится исключительно к констатации фактического состояния УГВ и засоления почв, оцениваемого по сумме солей, обеспечивает сбор территориально непривязанной информации о мелиоративном состоянии поливных земель, не выполняет прогноза изменения последнего на базе математического моделирования. Учитывая, что на орошаемых землях неудовлетворительное мелиоративное состояние выступает фактором, лимитирующим их продуктивность, требуется кардинальное изменение структуры и функций мониторинга солевого режима мелиорированных земель, разработки структуры баз знаний и создания баз данных для хранения, поиска информации и ее подготовки для расчетов по моделям изменений водного и солевого режимов.
Во второй главе «Природные условия и методика проведения исследований» описаны почвенно-климатические, гидрогеологические условия и методика проведения исследований. Исследования проводились в 1978-2010 гг. в сухостепной зоне Поволжья на землях ЗАО «Новое» Энгельсского района, ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района, ЗАО «Декабрист» Ер-шовского района Саратовской области. Климат сухостепного Поволжья, в котором проводились исследования, характеризуется континентальностью и засушливостью. Зима умеренно холодная (-10-15°С), лето теплое (21,6-22,6°С). Гидротермический коэффициент 0,6-0,7. Годовая сумма осадков 350450, суммарный дефицит влаги 170-200 мм. Почвенный покров представлен в основном террасовыми темно-каштановыми почвами в комплексе с солонцами различной мощности и гранулометрического состава. Особенностями
почв являются высокая пестрота и пространственная изменчивость свойств. Геоморфологическая область проведения исследований - левобережная часть долины р. Волги, третья и четвертая надпойменные аккумулятивные террасы и долины малых рек. Рельеф слабоволнистый, покатый с малыми уклонами 0,001-0,016 в сторону р. Волги. Терраса осложнена лощинами, ложбинами стока, в меньшей степени оврагами и балками. Исследуемая территория относится к слабодренированным. В ее геологическом строении принимают участие среднечетвертичные хазарские аллювиальные отложения и верхнечетвертичные раннехвалынские аллювиальные отложения, представленные песками, супесями и суглинками.
Для решения поставленных на изучение задач было проведено 4 полевых эксперимента (табл.1).
Таблица 1 - Схемы опытов
Опыт Период проведения, гг. Варианты
Влияние водного и солевого режимов каштановых почв на параметры гидрофизической характеристики и функции влагопроводности террасовых темно-каштановых почв 1982-1994 Террасовые темно-каштановые почвы с автоморф-ным водным режимом
Террасовые темно-каштановые почвы с гидроморф-ным водным режим
Террасовые темно-капгоновые неосолонцованные почвы
Террасовые темно-каштановые осолонцованные почвы
Определение фильтрационных параметров почв и подстилающих пород с различной выраженностью трещиновато-сти 1982-1985 Террасовые темно-каштановые не трещиноватые почвы
Террасовые темно-каштановые почвы с выраженной трещиноватостью
Определение параметров ми-фации растворенных веществ в трещиноватых и не трещиноватых почвах 1978-1989 Террасовые темно-каштановые не трещиноватые почвы
Террасовые темно-каштановые почвы с выраженной трещиноватостью
Влияние систем использования на водно-солевой режим темно-каштановых почв в зависимости от исходного мелиоративного состояния и эколого-мелиора-тивных условий 1984-2007 Земли, выведенные из состава орошаемых в 1980х гг.
Те же земли через 20 лет после выведения из состава орошаемых
Земли, выведенные из состава пахотных в 1980 - 90 гг.
Те же земли через 20 лет после выведения из состава пахотных
Полевые эксперименты и обследования мелиорированных земель репрезентативных хозяйств сухостепной зоны проводились согласно принятым методикам. Почвенные образцы отбирались согласно ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 28168-89, ГОСТ 17.4.4.02-84, ОСТ 56 81-84. Анализы водной вытяжки ГОСТ 26424-85, ГОСТ 26426-85, ГОСТ 26427-85, ГОСТ 26428-85, состава
обменных оснований в почвенном поглощающем комплексе по ГОСТ 2648785, ГОСТ 26950-86, ГОСТ 27821-88, гранулометрический состав и плотность сложения почвы по ГОСТ 12536-79, плотность твердой фазы почвы пикно-метрическим методом согласно ГОСТ 27395-87, влажность почвы термостатно-весовым методом (ГОСТ 20915-75, ГОСТ 28268-89). Гидрофизические функции почв определялись капилляриметрическим методом, фильтрационные свойства - методом промывки монолитов ненарушенной структуры. Мелиоративное состояние оценивалось с помощью «Методического руководства по методам контроля и критериям оценки мелиоративного состояния орошаемых земель Поволжья» (1991). При создании цифровых карт учитывались требования ГОСТ Р 50828-95, ОСТ 68-3.4-98, РТМ 68-3.01-99. Обработка данных проводилась методами корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа (Б.А. Доспехов, 1985), а также геостатистических и детерминистских методов интерполяции пространственных данных (Lark R.M., Webster R., 2005). Оценка экономической эффективности проводилась согласно методическим рекомендациям по оценке эффективности инвестиционных проектов (1999).
Третья глава «Концепция мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья» посвящена разработке методологических основ создания и ведения мониторинга солевого режима мелиорированных земель региона.
Предотвращение подъема грунтовых вод и засоления орошаемых территорий, а также восстановление вторично засоленных земель невозможно без полной информации об их водно-солевом режиме. Инструментом ее сбора и анализа может быть правильно организованный мониторинг.
Существующая система мониторинга водного и солевого режима имеет серьезные недостатки: осуществляется только констатация фактического состояния УГВ и засоления почв; засоление почв оценивается по общей сумме солей; используются исключительно бумажные носители информации; собираемая информация о мелиоративном состоянии территориально не привязана; не выполняется прогноз изменения водного и солевого режима на базе математического моделирования, отсутствуют базы знаний и данных для хранения, поиска информации и ее подготовки для расчетов по моделям изменений водного и солевого режимов. Это свидетельствует о настоятельной необходимости кардинального изменения функций и структуры мониторинга
солевого режима мелиорированных земель. Основными функциями мониторинга солевого режима должны стать наряду с наблюдениями за состоянием водного и солевого режима почв прогноз изменения водного и солевого режима почв в пространстве и времени и выработка рекомендаций по сохранению или восстановлению благоприятных мелиоративных условий для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.
При разработке системы мониторинга солевого режима почв необходимо, прежде всего, разработать методологические основы его создания и ведения, в первую очередь - структуру общей информационной системы мониторинга. Предлолагаемая структура общей информационной системы мониторинга солевого режима представлена на рисунке 1. В ней выделены три группы компонентов: средства получения данных; информационная база (базы данных и знаний, цифровая карта) и блок поддержки принятия решений, или блок анализа (математические модели влаго- и солепереноса, средства анализа и визуализации данных, экспертные системы).
Рисунок 1 - Структура мониторинга солевого режима земель К 1 группе относятся не только широко используемые в настоящее время солевые съемки и наблюдения за уровнем и минерализацией грунтовых вод, но и средства дистанционного зондирования Земли, например, космические снимки. Две остальные группы были объединены в общую информационную систему мониторинга солевого режима орошаемых земель, которую необходимо разрабатывать как геоинформационную объектно-ориентированную модель солевого режима сельскохозяйственных земель, опираясь на положения и
методы теории моделей (рис. 2). Это определяется тем, что она представляет собой некую модель природно-техногенного объекта - агроландшафта с точки зрения протекающего в нем контролируемого процесса - солевого режима почв.
Рисунок 2 - Схема геоинформационной модели мониторинга солевого режима мелиорированных земель Основными компонентами геоинформационной модели должны быть:
- Цифровая карта, включающая слои с данными, которые необходимы для прогнозирования солевого режима почв, а также слои, предназначенные для повышения качества визуализации результатов прогнозирования.
- База данных, предназначенных для прогнозирования солевого режима, включающая погодно-климатическую информацию, модели роста и развития растений, водопотребления и продуктивности возделываемых культур, нор-
мативно-справочную информацию по техническим характеристикам применяемых средств орошения, солевое состояние земель и метеоданные за длительный ряд наблюдений.
- Программы для определения параметров водного и солевого режима.
- Средства ГИС-анализа для обоснованного разбиения орошаемой территории на однородные контуры.
- Средства прогнозирования солевого режима - компьютерные программы, реализующие математические модели влаго- и солепереноса.
- Средства распространения результатов моделирования на всю поливную или контролируемую территорию.
- Интерфейс информационной системы мониторинга и ее пользователя, состоящий из средств визуализации прогнозируемых изменений солевого режима контролируемых угодий, программ задания управляющих воздействий и параметров прогнозирования.
В четвертой главе «Водно-солевой режим мелиорированных темно-каштановых почв Поволжья после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования» приведены результаты мониторинговых исследований изменения водного и солевого режима ме-лиоративно неблагополучных вследствие длительного орошения темно-каштановых почв через 15-20 лет при разных системах их использования.
Влияние смены систем использования на водный и солевой режим темно-каштановых почв Поволжья изучалось на 7 участках, характеризующихся на момент сокращения водоподачи, выведения их из орошения и сель-хозоборота различной степенью деградации из-за подъема грунтовых вод и засоления и расположенных в разных эколого-мелиоративных условиях.
Уменьшение водоподачи и водно-солевой режим почв. По сравнению с 1970-ми годами водоподача на поливной гектар участка № 1 уменьшилась вполовину: с 3700-4500 м3/га до 1600 м3/га.
За 16 лет с начала орошения сульфатно-натриевые, солоноватые с минерализацией 5-10 г/л грунтовые воды на участке поднялись и в 1982 г. находились на глубине 1,5-1,7 м. Несмотря на уменьшение водоподачи, уровень грунтовых вод по причине весьма слабой дренированности участка остался на прежней глубине и они продолжали участвовать во влагообмене корне-обитаемого слоя. Это привело к увеличению содержания токсичных солей в метровом слое за 20 лет на 0,14%, и он из категории незаселенных с преоб-
ладанием анионов БО/" и НСОз" и катионов Са2+ и №+ перешел в слабозасо-ленный с гидрокарбонатно-сульфатным и кальциево-натриевым типом засоления (табл. 2). Наибольшее увеличение токсичных солей отмечено в подпахотных горизонтах. В то же время пахотный слой остался незасоленным.
Таблица 2 - Изменение засоления почвы участка № 1
Слой почвы, см Токсичные соли, % Тип засоления (преобладающие ионы) / степень* засоления
1986 г. 2005 г. 1986 г. 2005 г.
0-30 0,031 0,073 нсо; so; нсо;
незасоленные незасоленные
30-50 0,062 0,221 so.? гидрокарбонатно-сульфатное
незасоленные слабозасоленные
50-75 0,036 0,253 so; нсо; гидрокарбонатно-сульфатное
незасоленные слабозасоленные
75-100 0,021 0,194 нсо; so.f содово-сульфатное
незасоленные слабозасоленные
0-50 0,043 0,132 so-; нсо; scr; нсо;
незасоленные незасоленные
0-100 0,036 0,176 so; нсо; гидрокарбонатно-сульфатное
незасоленные слабозасоленные
* В таблицах 2-5 степень засоления определялась по токсичным ионам
Наибольшая концентрация токсичных солей (0,253%) в настоящее время наблюдается в слое 50-75 см (рис. 3).
Прекращение орошения и водно-солевой режим почв. Орошение участка № 2 осуществлялось с 1966 г., прекращено в 1982 г., после чего участок используется для выращивания зерновых культур без орошения. С 1966 по 1982 гг. сульфатно-натриевые грунтовые воды с минерализацией 5-10 г/л поднялись до 2,0-2,5 м. На момент прекращения орошения в 1991 г. почвы участка в 0-30 см слое были слабо засолены, преобладали сульфаты и гидрокарбонаты (табл. 3). В нижележащих слоях (30-100 см) почвы были незаселенными.
После прекращения орошения, несмотря на слабую дренированность территории участка, уровень грунтовых вод на нем понизился до 5,0-5,5 м. Это способствовало уменьшению содержания токсичных солей в метровом слое с 0,114 до 0,041%. В нем стали доминировать анионы 804"" и НС03", катионы - Са2+ и В результате прекращения орошения за 14 лет произош-
ло значительное перераспределение ионов по почвенному профилю: наибольшая их концентрация сместилась из пахотного горизонта во второй полуметр (рис. 4).
-0,6
ю >>
с
мг-экв/100 г почвы
4 2 0 2
6 В 10 10 8
мг-экв/100 г почвы
4 2 0 2
6 8 10
я я
я
-0,4 -0,2
токсичные соли, % 0,0 0,2 0,4 0,
0-10
10-20
20-30 I
30-40 ~т
40-50 I
50-60
60-70 I 1
70-80
80-90 1
90-
Условные обозначения
Рисунок 3 - Эпюры распределения ионов токсичных солей по почвенному профилю участка №1 а) 1986 г., б) 2005 г.; в) изменение их содержания за 20 лет
Таблица 3 - Изменение засоления почвы участка № 2
Слой почвы, см Токсичные соли, % Тип засоления (преобладающие ионы ) / степень засоления
1991 г. 2005 г. 1991 г. 2005 г.
0-30 0,196 0,029 гидрокарбонатно-сульфатное бог; нсо;
слабозасоленные незасоленные
30-50 0,076 0,025 Ю] НСО, НСО- 50;
незасоленные незасоленные
50-75 0,058 0,050 бо2; нсо; нсо;
незасоленные незасоленные
75-100 0,054 0,057 зо2; нсо; 8(У; нсо;
незасоленные незасоленные
0-50 0,148 0,028 бо2/ нсо; нсо; зог-
незасоленные незасоленные
0-100 0,114 0,041 Я<У4 нсо; за; нсо;
незасоленные незасоленные
а
мг-экв/100 г почвы
б
мг-экв/100 Г ПОЧВЫ
10 864202468 10 10 864202468 10
Рисунок 4 - Эпюры распределения ионов токсичных солей по почвенному профилю участка №2 а) 1991 г., б) 2005 г., в) изменения их содержания за 14 лет
Вывод земель из категории пахотных и водно-солевой режим почв. На участке № 4 в процессе 16 лет орошения гидрокарбонатно-сульфатно-натриевые грунтовые воды с минерализацией 1 г/л поднялись и в 1982 г. находились на глубине 0,8-1,0 м. По данным 1991 г. на момент прекращения орошения и вывода участка из категории пахотных распределение ионов солей по почвенному профилю было очень неравномерным (табл. 4, рис. 5). Общее направление процесса солепереноса на данном участке определялось понижением уровня грунтовых вод вследствие прекращения орошения на фоне слабой дренированности с глубины 0,8-1,0 до 2,0-2,5 м. Они перестали участвовать в водопотреблении растений. Следствием стало перераспределение солей по профилю почвы, в результате чего произошло рассоление пахотного слоя, в котором отмечено значительное уменьшение содержания токсичных солей, а наибольшая концентрация ионов переместилась в слой 50-75 см.
Аналогичная направленность процесса солепереноса наблюдалась на участках №5 и 6. Их дренированностъ позволила при уменьшении приходной части водного баланса вследствие прекращения орошения фунтовым водам опуститься ниже 2 м.
Слой почвы, см Участок № 4 Участок № 5 Участок № 6
Токсичные соли, % Тип (преобладающие ионы) и степень* засоления Токсичные соли, % Тип (преобладающие ионы) и степень* засоления Токсичные соли, % Тип (преобладающие ионы) и степень* засоления
1991 г. 2005 г. 1991 г. 2005 г. 1986 г. 2005 г. 1986 г. 2005 г. 1986 t 2005i 1986 г. 2005 г.
0-30 0,314 0,029 сульфатное нсо; и я? 0,587 0,290 гидрокарбонат-но-сульфа тное гидрокарбонат-но-сульфатное 0,126 0,027 хлоридное нсо; и sa:
средне-засоленные незасоленные сильно засоленные слабо-засоленные средне-засоленные незасоленные
30-50 0,167 0,220 содово-сульфатное хлоридно-сульфатное 0,424 0,232 гидрокарбонат-но-сульфатное гидрокарбонат-но-сульфатное 0,090 0,037 хлоридное SO-: и нсо,-
слабо-засоленные слабо-засоленные средне-засоленные слабо-засоленные слабо-засоленные незасоленные
50-75 0,187 0,493 гидрокарбонат-но-сульфатное хлоридно-сульфатное 0,113 0,166 ЪО}' и НССТЪ гидрокарбонат-но-сульфатное 0,038 0,049 С/ и ^ so"; н нсо;
слабо-засоленные средне-засоленные незасоленные слабо-засоленные незасоленные незасоленные
75-100 0,547 0,440 сульфатное сульфатно-хлоридное 0,129 0,097 $о24 и ясо3" НСО; и Бо: 0,027 0,071 и НСО;
средне-засоленные сильно-засоленные незасоленные незасоленные незасоленные незасоленные
0-50 0,253 0,105 сульфатное хлоридко-сульфатное 0,522 0,267 гидрокарбонат-но-сульфатное гидрокарбонат-но-сульфатное 0,111 0,031 хлоридное so? и нсо;
слабо-засоленные слабо-засоленные сильно-засоленные слабо-засоленные средне-засоленные незасоленные
0-100 0,325 0,285 сульфатное хлоридно-сульфатное 0,321 0,197 гидрокарбонат-но-сульфатное гидрокарбонат-но-сульфатное 0,072 0,045 хлоридное sa;- и нсо;
средне-засоленные средне-засоленные средне-засоленные слабо-засоленные слабо-засоленные незасоленные
мг-экв/100 г поч-
мг-экв/100 г
мг-экв/100 г почвы
10 8 6 4 2 0 2 4 6 &
ч: 8 ЯН
7
!
мг-экв/100 г почвы 6 4 2 0 2
6 8 10
6 4 2 0 2
6 8 10
МГ-ЭКВ/100 Г ПОЧ-
2 0 2 4 6 -
\
токсичные соли,
мг-экв/100 г 6 4 2 0
токсичные соли, %
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
г.; г, д, е - 2005 г.; ж, з, и - изменение их содержания за рассматриваемый период в результате прекращения орошения и вывода из категории пахотных
токсичные соли, % 0.0 0,2 0,4 0,6
На участке №5 в процессе 16-летнего орошения сульфатно-натриевые грунтовые воды с минерализацией 3-5 г/л поднялись и в 1982 году находились на глубине 1,1-1,2 м. По данным 1986 г. на момент прекращения орошения и вывода участка из категории пахотных наибольшая концентрация ионов солей приходилась на слой почвы 0-30 см, где наблюдалось сильное засоление. Сумма солей составляла 0,991%, токсичных 0,587%. В целом по метровому слою в почвах наблюдалось среднее засоление гидрокарбонатно-сульфатного типа. За рассматриваемый период времени (с 1991 г. по 2005 г.) почвы пахотного 0-30 см горизонта и подпахотного 30-50 см потеряли значительное количество токсичных солей и перешли соответственно из сильно- и среднезасоленных в слабозасоленные. В слое 50-75 см отмечено увеличение содержания токсичных солей.
На участке № 6 за 19 лет с 1986 по 2005 гг. наметилась тенденция к уменьшению содержания солей, в том числе и токсичных в верхнем полуметре почвы.
Совсем иным была направленность процесса солепереноса на участке № 7 в понижении к балке Сухая Саратовка. В результате орошения сульфат-но-гидрокарбонатно-кальциевые грунтовые воды с минерализацией 1 г/л на нем поднялись и в 1982 г. находились на глубине 0,7 м. По данным 1984 г. почвы участка на момент прекращения орошения и вывода земель из категории пахотных в верхнем полуметре были незасоленными. Содержание токсичных солей в нем составляла 0,358% (табл. 5).
За 21 год (1984-2005гг.) после прекращения орошения и выведения земель из категории пахотных на участке из-за отсутствия отгочности не произошло понижения уровня грунтовых вод, в результате наибольшая концентрация токсичных солей переместилась из второго в верхний полуметр (рис. 6).
За рассматриваемый период времени почвы верхнего полуметра из категории незасоленных с преобладанием ионов SO4" и //COJ перешли в сред-незасоленные сульфатного типа засоления, а в целом по метровому слою - из слабозасоленных в среднезасоленные.
Слой почвы, см Токсичные соли, % Тип засоления (преобладающие ионы)/ степень засоления
1984 г. 2005 г. 1984 г. 2005 г.
0-30 0,081 0,322 до; и нсо. сульфатное
незаселенные среднезасоленные
30-50 0,120 0,412 50; и НСО»; сульфатное
незасоленные среднезасоленные
50-75 0,198 0,349 гидрокарбонатно-сульфатное сульфатное
слабозасоленные среднезасоленные
75-100 0,274 0,218 гидрокарбонатно-сульфатное сульфатное
слабозасоленные слабозасоленные
0-50 0,096 0,358 До;- и нсо; сульфатное
незасоленные среднезасоленные
0-100 0,166 0,320 гидрокарбонатно-сульфатное сульфатное
слабозасоленные среднезасоленные
мг-экв/100 г почвы
мг-экв/100 г почвы
20
, 40 ■
ю 60
80
100 \
-0,6 -0.4 -0.2 0,0
токсичные соли, % 0,2 0,4 0.6
6 8 10
Рисунок 6 - Эпюры распределения ионов токсичных солей по почвенному профилю участка №7 а - 1984 г., б - 2005 г.; в - изменение их содержания за 21 год после прекращения орошения и вывода из категории пахотных
В пятой главе «Гидрофизические функции, фильтрационные свойства и параметры миграции солей темно-каштановых почв Нижнего Поволжья» изложены результаты экспериментального определения параметров переноса влаги и солей темно-каштановых почв региона, влияния на них неблагоприятных мелиоративных процессов - перехода к гидроморфизму, осолонцева-ния, трещиноватости.
Гидрофизические функции темно-каштановых почв. При их изучении было установлено, что их характер существенно трансформируется при изменении типа водного питания и состава почвенно-поглощающего комплекса.
Уравнения, описывающие зависимости коэффициентов влагопроводно-сти от относительной влажности почвы (рис. 7), имеют следующий вид:
почв, где в - объемная влажность почвы, доли единицы. Коэффициент влаго-проводности гидроморфных террасовых темно-каштановых почв при малых по абсолютной величине значениях потенциала меньше, чем у автоморфных.
С уменьшением относительной влажности от 1 до 0,1 значения коэффициентов влагопроводности гидроморфных почв уменьшаются на 2 порядка -с 0,001 м/сут до 10"5 м/сут, в то время как у автоморфных на 3 порядка - с 0,1 м/сут до 10"4 м/сут. Поведение функций влагопроводности объясняется реорганизацией структуры порового пространства, обусловленной изменением плотности и характера распределения пор по размерам, которое у гидроморфных почв более однородно, чем у автоморфных. При уменьшении влажности небольшой объем, занимаемый крупными и средними порами и обеспечивающий капиллярную составляющую проводимости, быстро освобождается, и в дальнейшем основную роль играет пленочная проводимость. У автоморфных почв при таком же уменьшении влажности часть средних пор еще занята влагой, капиллярная составляющая все еще существенна и ее уменьшение сильнее влияет на общую величину влагопроводности.
для автоморфных {В2 = 0,76) и
для гидроморфных (К2 = 0,9)
•е-■е-
0,001
0,000001
0,0001
0,00001
0,4 0,6 0,8
Относительная влажность Э, доли ед.
Экспериментальные значения коэффициентов влагопроводности почв ♦ гидроморфных
О автоморфных
Расчетная кривая функции влагопроводности почв гидроморфных автоморфных
Рисунок 7 - Зависимости коэффициента влагопроводности от относительной влажности почвы для автоморфных и гидроморфных темно-каштановых почв Различия в агрофизических свойствах темно-каштановых почв при разных типах водного режима проявились и в характере кривых водоудержива-
9 63
ния (рис. 8), описываемых уравнениями: в{р) = 28,73 +
(1 + |0,02Р|"Г
(Я2 =
0,79) и в(р) = 23,27 +
13,99
(1+|о,оз/>|''7
(Я = 0,9) для гидроморфной и автоморф-
ной почвы соответственно, где Р - эквивалентный напор, см водного столба. Диапазон доступной влаги у гидроморфной почвы уже, чем у автоморфной -9,6 против 14% от объема почвы. Это свидетельствует о меньшей водоотдаче гидроморфной почвы, об уменьшении в ней доли проводящих пор и увеличении доли влагосохраняющих по сравнению с автоморфной.
В осолонцованной почве увеличение доли илистых частиц, переместившихся из верхнего слоя, и повышенное содержание поглощенного натрия привели к тому, что доля прочносвязанной адсорбированной воды увеличилась. Это обусловило уменьшение коэффициентов влагопроводности в слое 30-40 см по сравнению с неосолонцованной почвой и значительное изменение функций влагопроводности (рис. 9).
♦
□
0,4 0,6 0,8
Относительная влажность Э, доли ед.
Экспериментальные значения эквивалентного напора почв гидроморфных автоморфных
Расчетная кривая основной гидрофизической характеристики почв гидроморфных автоморфных
Рисунок 8 - Кривые водоудерживания для автоморфных и гидроморфных темно-каштановых террасовых почв
0,000001
0,6 0,8
Относительная влажность Э, доли ед Рисунок 9 - Функции влагопроводности для темно-каштановой террасовой почвы (а - осолонцованной, б - неосолонцованной)
Описываются приведенные функции влагопроводности уравнениями:
К(в) = 0,00011
К (0) = 0,2
0-29,5 4,38
(9-24,0 17,47
1-
1-
в-29,5>' 4,38
0-24,0 | л'44 17,47
-V'
(К2=0,86) для осолонцованных и
(Л =0,98) для неосолонцованных почв.
Эти выводы подтверждаются также кривыми водоудерживания для этих почв (рис. 10). Диапазон доступной влаги для неосолонцованной почвы составил 17,5% от объема почвы против 4,4% у осолонцованной почвы, что свидетельствует об уменьшении доли проводящих пор и увеличении доли влагосохраняющих пор в результате осолонцевания.
1000
0,4 0,6 0,8
Относительная влажность Э, доли ед.
Экспериментальные значения эквивалентного напора почв ♦ гидроморфных
□ автоморфных
Расчетная кривая основной гидрофизической характеристики почв гидроморфных автоморфных
Рисунок 10 - Кривые водоудерживания для неосолонцованных и осолонцованных темно-каштановых террасовых почв
Фильтрационные свойства. Одной из важных особенностей почв Нижнего Поволжья является их фильтрационная неоднородность. Во многих случаях она связана с наличием трещин, часто встречающихся у солонцов и осолонцованных почв. Сопоставление максимальных значений скорости движе-
ния влаги в трещиноватых почвах и в почвах без трещин показало, что их средние значения для этих групп различаются на порядок с 0,1% уровнем значимости. Средняя величина максимальных значений скорости движения влаги по трещиноватым почвам составила 0,21 м/сут, что значительно превышает характерные для суглинков и легких глин величины.
Объединив данные о движении влаги при влажности, близкой к полной влагоемкости, полученные методом промывки монолитов, с данными эксперимента на капилляриметре, мы получили зависимость коэффициента влаго-проводности от объемной влажности для трещиноватых темно-каштановых почв (рис. 11). Она описывается экспоненциальной зависимостью
Влажность почвы, % объема
Экспериментальные значения коэффициентов влагопроводности, полученные: ■ с помощью капилляриметра д. методом промывки монолитов
- Итоговая кривая функции влагопроводности
Рисунок 11 - Зависимость коэффициента влагопроводности от влажности для трещиноватых почв
Параметры миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвогрунтах. Движение растворенных солей в почве описывается уравнением конвективной диффузии, которое в безразмерных переменных (модель I) имеет следующий вид:
_ 1 д2и{ дих
В то же время трещиноватые почвы можно рассматривать как системы с «двойной пористостью», в которых миграция растворенных веществ про-
исходит преимущественно по сквозным транзитным порам и описывается модифицированным уравнением конвективной диффузии (модель II):
Второе уравнение описывает обмен солями между транзитными порами и остальной частью порового пространства. В уравнениях введены следующие безразмерные переменные:
хх vt п vL п в.+в2 , в LK с.-с„
£ = —; т = —; Ре =- R = —--; b--; со =-; и, = —-1
L 6L 0D в в,+е2 v ' с-с0
где в - пористость; L- длина пути миграции; D- коэффициент конвективной диффузии; 01 и вг объемы проточной и застойной зон в единице объема грунта; v - скорость фильтрации; К - константа скорости массообмена застойной и проточной зон; с, -концентрации хлор-иона в проточной (/ = 1) и застойной (/=2) зонах; с0 - начальная концентрация хлор-иона в поровом растворе исследуемого образца грунта; с - концентрация вытесняющего раствора.
Полученные экспериментально выходные кривые зависимости концентрации хлор-иона от объема фильтрата, вытекшего из монолита, сравнивались с результатами расчетов по двум моделям миграции растворенных веществ. В результате было доказано, что солеперенос в нетрещиноватых почвах лучше описывается моделью 1, в трещиноватых почвах - моделью 2.
В результате расчетов на основе экспериментальных данных получены следующие параметры миграции солей:
- для нетрещиноватых почв (модель I) коэффициент конвективной диффузии D = 2 • 10"4 -5- 5,5 • 10"4 м2/сут (шаг смешения к = 0,014 н- 0,046 м), растворяющий объем R = 0,65 + 0,66 (в долях единицы);
- для почвы с выраженной трещиноватостью (модель II): коэффициент конвективной диффузии D = 3 • 10"3 м2/сут, (шаг смешения X = 0,2 м), доля растворяющего объема R = 0,60, доля застойных зон в растворяющем объеме, Ь = 0,57 параметр обмена со = 0,60 (К = 0,03 сут"1).
Глава 6 «Моделирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья» посвящена результатам моделирования солевого режима одного из основных подтипов почв мелиорированных земель региона, которое выполнялось с помощью программы SWAP.
Моделирование движения воды и солей было проведено в почвенном
профиле по трем участкам (№2, №4 и №7) на основе разработанной базы знаний и данных для моделирования влаго- и солепереноса для метеоусловий каждого отдельного года, начиная с года изменения характера использования орошаемых земель - прекращения орошения или выведения участка из сельскохозяйственного производства.
Оценка достоверности моделирования и качества адаптации модели SWAP к почвенно-климатическим условиям Саратовского Заволжья проводилась путем сравнения результатов моделирования солевого режима за 1521-летний период с нашими данными полевых обследований 2005 г. Результаты моделирования солевого режима на всех участках показали хорошую сходимость с экспериментальными данными (рис. 12).
О хорошем соответствии расчетных и фактических данных о засолении почв свидетельствует величина коэффициента Тейла, равная для участка №2 - 0,26, участка №7 - 0,07. Для моделирования водно-солевого режима вторично осолонцованных почв на участке №4 были проведены расчеты с учетом и без учета трещиноватости с приведенными в главе 5 параметрами миграции влаги и солей. При расчете с использованием функции влагопровод-ности и параметров миграции солей для трещиноватых почв стандартная ошибка оценки составила 0,077% солей, коэффициент Тейла - 0,11 против 0,125% солей и 0,21 для расчета с использованием функции влагопроводно-сти, не учитывающей наличие трещин. Таким образом, применение полученной в данной работе функции влагопроводности для трещиноватых почв дало существенное улучшение точности расчета.
7 глава «Прогнозирование солевого режима темно-каштановых почв Поволжья на основе геоинформационных технологий и математического моделирования» посвящена созданию базы данных и структуры базы знаний для моделирования солевого режима почв и разработке метода прогнозирования солевого режима на основе геоинформационных технологий и математического моделирования.
База данных и знаний для моделирования влаго- и солепереноса в Нижнем Поволжье. Значительное разнообразие свойств почвенного покрова, вариативность геологических и гидрогеологических условий обуславливает необходимость применения методов структурирования, формализации и учета пространственного варьирования информации, необходимой для математического моделирования процессов миграции влаги и солей на мелиориро-
ванных землях. Информация, необходимая для моделирования транспорта влаги, состоит из нескольких взаимосвязанных частей. Это объективные физические законы движения воды в почве, данные мониторинговых наблюдений, экспериментальные данные о свойствах почв, эмпирические и полуэмпирические зависимости, методы обработки экспериментальных и мониторинговых данных и получения эмпирических зависимостей, знания о методах применения вышеперечисленных данных и знаний при моделировании.
Содержание токсичных солей, % о 0,2 0,4 0,6
Содержание токсичных солей, %
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Содержание токсичных солей, %
0 0,2 0,4 0,6
0 10 20 30
2 о
5 40
>s
g 50 О
60 70 80
i
J—
-----< ►----- f 1
Данные обследования: а, б - 1991 год, в - 1984 год
Данные обследования 2005 г.
Расчет по модели SWAP
Расчет по модели SWAP с учетом трещин
Рисунок 12 - Распределение фактических и расчетных сумм токсичных солей по почвенному профилю в конце расчетных периодов: а - участка №2, б - участка №4, в - участка №7
В соответствии с этим предложена структура создания базы знаний и данных для моделирования влаго- и солепереноса (рис. 13). База данных, которая на схеме локализуется в ячейках «Данные мониторинговых наблюдений», «Экспериментальные данные о свойствах почв» «Эмпирические и полуэмпирические зависимости» включает 9 основных реляционных таблиц MS Access (табл. 6). Таблицы «Объекты», «Профили», «Гидрофизика», «Со-леперенос», «Вытяжка» и «Водная_физика» хранят информацию в том виде, в котором она получена в результате полевых обследований, экспериментов и из фондовых источников. Исходные данные для моделирования формируются в 2 этапа. На первом этапе с помощью запросов базы данных с вычисляемыми полями происходит пересчет хранящихся в таблице параметров для задаваемых в модели интервалов расчета и слоев и перевод в принятые в модели единицы измерения. На втором этапе с помощью средств создания от-
четов формируются текстовые файлы в формате программного средства реализации модели (SWAP 2.07d).
Рисунок 13 - Структура базы знаний и данных моделирования влаго солепереноса
Таблица 6. - Основные таблицы базы данных моделирования влагосолепереноса
№ пп Название Содержание
1 Объекты Общая информация об объекте моделирования
2 Профили Общие описания почвенных профилей
3 Гидрофизика Значения параметров почвенных гидрофизических функций слоев почвы и подстилающих пород
4 Солеперенос Значения параметров миграции почвенных солей различных слоев почвы и подстилающих пород
5 Агрокалендарь Календари сельскохозяйственных лет различных орошаемых культур для разных природно-климатических микрозон
6 Метеоданные Среднесуточные данные по температуре и влажности воздуха, суточные осадки, возможно использование численных характеристик поступления солнечной радиации, скорости ветра
7 Биоклимкоэф Биоклиматические коэффициенты орошаемых культур для разных природно-климатических микрозон
8 Вытяжка Результаты химического анализа полной водной вытяжки (содержание анионов и катионов солей в мг-экв/100 г почвы, рН)
9 Водная физика Водно-физические свойства почвы
В базе данных предусмотрена также специальная реляционная таблица «Точки» (табл. 7), предназначенная для привязки почвенных разрезов к местоположению на цифровой карте, что позволяет в дальнейшем использовать средства ГИС-анализа для подготовки исходных данных и распространения на площади результатов моделирования.
Таблица 7. - Структура реляционной таблицы «Точки»
№ пп Имя поля Тип данных Описание
1. Разрез Text Номер разреза или шурфа (может содержать буквы)
2. Принадлежность Text Организация, отбиравшая образцы
3. Широта Float Географические координаты в проекции \VGS-84 в формате gg,gggg
4. Долгота Float
5. Отметка Float Высота над уровнем моря, м
Кроме данных, при моделировании влагосолепереноса и оценке его результатов необходимо использование совокупности специальным образом обработанной и структурированной информации, в основном не формализованной математически, то есть базы знаний, реализованной с помощью процедурных правил вида: «ЕСЛИ <условие> ТО <действие>. При этом правила решения каждой отдельной проблемы (модели решения) записывались в специальной реляционной таблице «Правила» (табл. 8).
Перечень решаемых проблем был вынесен в отдельную реляционную таблицу «Проблемы», представляющую собой справочник, содержащий коды и названия решаемых проблем, текстовые комментарии к ним, а также
начальные значения вероятностей достижения решений.
Таблица 8 - Структура реляционной таблицы «Правила»
№ ЦП Имя ПОЛЯ Тип данных Описание
I. Проблема Integer Код проблемы, решаемой набором правил
2. Условие Text Условие, при котором правило выполняется
3. Действие Text Действие, выполняемое при соблюдении условия
4. Цель Да Text Вероятность достижения цели при соблюдении условия
5. Цель Нет Text Вероятность достижения цели при несоблюдении условия
6. Примечание Text Текстовый комментарий к правилу
Метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования. Для организации хранения в пространственно структурированном виде данных мониторинга солевого режима, необходимых для его моделирования, и распространения результатов моделирования на орошаемые массивы и прилегающие земли, необходимо создание цифровых карт контролируемых территорий, в том числе и трехмерных моделей рельефа, и геоинформационное районирование орошаемой территории с помощью средств ГИС-анализа - путем разбивки ее на однородные с точки зрения моделирования влаго- и солепереноса операци-онно-территориальных единиц (OTE). Для геоинформационного районирования необходимо перейти от обычной цифровой карты поливных земель к цифровой модели орошаемой территории, включающей в себя пространственные распределения численных характеристик свойств почв, геоморфологических и гидрогеологических условий. Создание объединенной цифровой модели должно осуществляться по следующей схеме (рис. 14).
Методика создания этой модели состоит из следующих шагов:
1. Преобразование плоской и качественной (содержащей описательные характеристики) почвенной карты в объемную почвенную модель. При выделении OTE необходимо использовать не только контуры почвенных разностей, но и контуры содержания гумуса, построенные по данным обследований путем аппроксимации с помощью средств ГИС. Объемная цифровая почвенная модель должна содержать в атрибутивной базе данных значения эмпирических параметров аналитических представлений почвенных гидрофизических функций, а также коэффициентов фильтрации, полной влагоем-кости, влажности при максимальной гигроскопичности и др.
Рисунок 14 - Этапы создания объединенной цифровой модели мелиорированных земель и подготовки данных для пространственного прогнозирования изменений солевого режима орошаемых земель
2. Создание объемной модели исходного засоления с помощью аппроксимации локальными полиномами 2 степени по точкам отбора проб солевой съемки с использованием суммы токсичных солей каждого почвенного слоя.
3. Создание цифровой модели уровня грунтовых вод с помощью средств трехмерного моделирования рельефа и растровой алгебры.
4. Создание цифровой модели вероятностных характеристик поверхностного стока на основе трехмерной модели рельефа и полученной с помощью нее карты уклонов земной поверхности, а также свойств верхнего слоя почв.
Объединение цифровых моделей (пп. 1-4) в единую модель осуществляется либо с помощью средств пересечения и объединения полигонов, либо путем преобразования векторных полигональных представлений в растровые, совместной обработке их растровыми операциями, а затем интерполяцией полученных растров и преобразованием обратно в полигоны ОТЕ.
Полученная в результате выполнения предлагаемого алгоритма объединенная цифровая модель орошаемого массива является более адекватным отображением реального объекта с точки зрения моделируемых процессов влаго- и солепереноса. Результаты проведенного для каждой из выделенных операционно-территориальных единиц моделирования транспорта влаги и
солей с использованием в качестве входной информации содержимого атрибутивной базы данных объединенной почвенной модели представляют собой совокупность пространственно привязанных значений.
Метод использования ГИС-анализа при подготовке данных для моделирования, заключающийся в выделении однородных по всем основным факторам территориальных единиц (OTE), был апробирован в ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области.
8 глава «Оценка экономической эффективности прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв сухостепного Поволжья» содержит оценку экономической эффективности предлагаемой технологии мониторинга и прогнозирования солевого режима каштановых почв в регионе на основе исчисления рисков засоления земель в случае их недостаточно обоснованного введения в орошение при расширении площади поливных сельскохозяйственных угодий.
С помощью анализа мелиоративных кадастров Саратовской области за 1980-2000 гг. были определены вероятности слабого, среднего и сильного засоления для левобережных районов и сельскохозяйственных микрозон. Оценка возможных потерь урожая рассчитана на базе измерения рисков засоления с учетом прогнозного снижения урожайности важнейших поливных культур из-за повышения концентрации водорастворимых солей в почвенном растворе и средних цен на продукцию растениеводства по данным МСХ РФ за 2007-2010 гг. (табл. 9). Урожайность кормовых культур переводилась в кормовые единицы, а их цена определялась по цене фуражного овса.
Таблица 9. - Оценка риска засоления и возможных ежегодных потерь за счет недополучения урожая в связи с неблагоприятным солевым режимом для ле-
вобережных районов Саратовской области
№ Регион Вероятность засоления, % Ежегодные потери, руб./га
слабого среднего сильного
1 V микрозона 2,7% 1,3% 0,3% 529
2 VI микрозона 4,1% 0,8% 0,2% 492
3 VII микрозона 16,2% 17,2% 2,4% 5429
4 Саратовское Заволжье 4,7% 2,6% 0,4% 987
Себестоимость мониторинга солевого режима и прогнозирования его изменений с учетом всех необходимых анализов и трудозатрат составляет 1800 руб./га. Достоверность прогноза, определенная по критерию Нэша-Сатклиффа, изменяется в пределах 91-97%, при среднем значении 93%. По-
скольку при отсутствии прогнозирования его достоверность равна 0%, получаем, что предотвращенные в результате прогноза убытки от потери урожая из-за засоления составят 93% от возможных потерь, или 918 руб./га в год в среднем для всего Саратовского Заволжья. С учетом того, что негативные изменения солевого режима в сухостепном Поволжье начинают проявляться при неблагоприятных условиях через 5 лет после начала орошения, при существующей ставке рефинансирования 11% и стандартном сроке прогнозирования мелиоративных процессов 20 лет дисконтированный индекс доходности затрат превысит единицу на 8 год, его максимальное значение составит 2,48 при чистом дисконтированном доходе 21 тыс. руб./га.
ВЫВОДЫ
1. Кардинальное повышение качества использования мелиорированных земель возможно только на основе создания современного мониторинга водного и солевого режима почв, обязательными функциями которого наряду с наблюдениями за их состоянием станет прогноз изменения и выработка рекомендаций по регулированию мелиоративного состояния. Концептуальной методологической основой создания и ведения такого мониторинга является его структура общей информационной системы, в которой должны быть выделены три группы компонентов: средства получения данных; информационная база (базы данных и знаний, цифровая карта) и блок поддержки принятия решений или блок анализа (математические модели влаго- и солеперено-са, средства анализа и визуализации данных, экспертные системы).
2. Общая информационная система мониторинга солевого режима орошаемых земель должна разрабатываться как геоинформационная модель солевого режима, учитывающая параметры его состояния в разные моменты времени и в их пространственной взаимосвязи. Основными компонентами геоинформационной модели являются: база данных, предназначенных для прогнозирования солевого режима; программы для определения параметров водного и солевого режима; средства прогнозирования солевого режима -компьютерные реализации математических моделей влаго- и солепереноса.
3. Результаты мониторинга показали, что изменение солевого режима темно-каштановых длительно орошавшихся почв происходит не только под влиянием смены характера их дальнейшего использования, сопровождав-
шейся уменьшением приходной части водного баланса мелиорированных территорий, но также степени их дренированности и весеннего снеготаяния, определяющими водный режим почв и подстилающих пород.
- При снижении водоподачи на 50% на орошаемых землях, характеризовавшихся в 1986 г. отсутствием засоления, при весьма слабой дренированности уровень грунтовых вод остался на прежней глубине и они продолжали участвовать во влагообмене корнеобитаемого слоя, в результате чего к 2006 г. содержание токсичных солей по всему метровому почвенному профилю увеличилось с 0,036 до 0,176%. Наибольшее увеличение токсичных солей произошло в подпахотных слоях, пахотный горизонт благодаря поливам остался незаселенным.
- При прекращении в 1991 г. орошения остающихся в сельскохозяйственном обороте слабозасоленных в пахотном горизонте почв, на фоне слабой дренированности территории к 2005 г. уровень грунтовых вод понизился на 1,0-1,5 м, наметилась тенденция снижения содержания токсичных солей в 030 см слое с 0,162+0,196% до 0,044+0,029% и произошло значительное перераспределение ионов по почвенному профилю, вследствие которого наибольшая их концентрация сместилась из пахотного горизонта во второй полуметр.
- При выведении земель из категории пахотных, при снижении уровня грунтовых вод за 15 лет на фоне слабой дренированности территории на 1,01,5 м, тем не менее исключившем их участие в водном режиме корнеобитаемого слоя, произошло увеличение содержания токсичных солей во втором полуметре и уменьшение в верхнем полуметровом слое, в результате чего он перешел из среднезасоленного в незасоленный и из сильно в среднезасолен-ный. При очень слабой дренированности и продолжающемся участии грунтовых вод в водном режиме корнеобитаемого слоя процесс засоления за 20 лет, напротив, прогрессировал: содержание токсичных солей в метровом слое увеличилось с 0,166 до 0,320%.
4. Экспериментально установлены значения параметров основной гидрофизической характеристики и функции влагопроводности террасовых темно-каштановых почв, рассчитанные по разработанной методике и программе, зарегистрированной в Государственном реестре программ РФ. Доказано, что они существенно трансформируются при изменении типа водного питания и
состава почвенно-поглощающего комплекса.
- С уменьшением относительной влажности от 1,0 до 0,1 значения коэффициентов влагопроводности гидроморфных почв уменьшаются на 2 порядка с 0,001 до 10"5 м/сут, у автоморфных - на 3 порядка с 0,1 до 10'4 м/сут, что объясняется реорганизацией структуры порового пространства, обусловленной изменением плотности и характера распределения пор.
- При влажности, близкой к полной влагоемкости, в осолонцованной почве коэффициент влагопроводности на 3 порядка больше по сравнению с не-осолонцованной почвой. Диапазон доступной влаги у осолонцованной почвы составляет 4,4% против 17,5% от объема почвы для неосолонцованной почвы.
5. Экспериментально доказано, что наличие трещиноватости увеличивает скорость движения влаги - максимальные значения скорости движения влаги составляют 0,21 для трещиноватых и 0,03 м/сут для нетрещиноватых почв, различаясь на порядок с 0,1% уровнем значимости.
Зависимость коэффициента влагопроводности от объемной влажности для трещиноватых темно-каштановых почв, полученная объединением данных о движении влаги при влажности, близкой к полной влагоемкости, полученных методом промывки монолитов, с данными эксперимента на капилля-риметре, описывается экспоненциальной зависимостью
V - „-ОД56202 +11,9030-225,32 „ „ n2 n nm
К = е 'с уровнем достоверности R = 0,997.
6. Экспериментально доказано, что солеперенос в нетрещиноватых почвах лучше описывается уравнением конвективной диффузии, в трещиноватых почвах - модифицированным уравнением конвективной диффузии, учитывающим обмен солями между транзитными порами и остальной частью порового пространства.
Установлены параметры миграции солей: для нетрещиноватых почв коэффициент конвективной диффузии D = 2 • 10"4 -г 5,5 • 10"4 м2/сут, для почв с выраженной трещиноватостью D = 3 ■ 10'3 м2/сут.
7. Адаптация модели SWAP на основе сравнения результатов моделирования солевого режима длительно орошавшихся почв, выведенных из орошения и разряда пахотных за период 1986 - 2005 гг., с данными полевых обследований, показала пригодность модели для прогнозирования засоления-рассоления почв в эколого-мелиоративных условиях Саратовского Заволжья,
что доказывается хорошей сходимостью между расчетными и фактическими данными.
Применение для моделирования водно-солевого режима вторично осо-лонцованных почв полученной в диссертации функции влагопроводности для трещиноватых почв существенно повысило точность расчета. Стандартная ошибка оценки составила 0,077% солей, коэффициент Тейла - 0,11 против 0,125% солей, коэффициента Тейла - 0,21 без применения данной функции.
8. Для моделирования влаго- и солепереноса в среде Microsoft Access разработана база данных, включающая реляционные таблицы: «Объекты», «Профили», «Гидрофизика», «Солеперенос», «Агрокалендарь», «Метеоданные», «Биоклимкоэффициенты», «Вытяжка», «Водная_физика», в которых предусмотрены специальные кодовые поля для связи с объектами слоев цифровой карты контролируемой территории, обеспечивающей пространственную привязку объектов и профилей и пространственно-обусловленный отбор информации для моделирования.
Для базы знаний прогнозирования солевого режима выбрано процедурное представление, при этом правила решения каждой отдельной проблемы (модели решения) записываются в реляционной таблице «Правила», для обработки которой применяются запросы Microsoft Access, что позволяет добиться большего универсализма базы знаний и обеспечить возможность ее переноса на более поздние версии базовой СУБД.
9. Разработан метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования. Его основу составляет алгоритм создания объединенной цифровой модели орошаемого массива, являющейся наиболее адекватным его отображением с точки зрения моделируемых процессов влаго- и солепереноса. Результаты моделирования транспорта влаги и солей, проведенного для каждой опера-ционно-территориальной единицы, представляют собой совокупность пространственно привязанных значений, которые с помощью интерполяции распространяются на всю поливную территорию.
10. Применение разработанного метода прогнозирования солевого режима почв за счет уменьшения рисков засоления поливных земель и снижения их продуктивности обеспечивает для условий Саратовского Заволжья
чистый дисконтированный доход 21 тыс. руб./га при индексе доходности затрат 2,48 и сроке окупаемости инвестиций 8 лет.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
Информационную систему мониторинга мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель Нижнего Поволжья рекомендуется разрабатывать как геоинформационную объектно-ориентированную модель солевого режима почв.
Для повышения качества и экологической обоснованности проектов строительства и реконструкции орошаемых участков Нижнего Поволжья рекомендуется использовать при долгосрочном прогнозировании изменений солевого режима темно-каштановых почв разработанную базу данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров почвогрунтов с различной выраженностью трещинова-тости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвогрунтах.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Янюк, В.М. Расчет водно-солевого режима каштановых почв Заволжья / В.М. Янюк, A.C. Фалькович //Почвоведение. -1984. - N 12. - С. 109-116.
2. Манько, А.Д. Высота и скорость капиллярного подъема воды в средне-суглинистых почвах/ А.Д. Манько, Л.В. Галибина, A.C. Фалькович // Почвоведение.- 1985. -N 9. - С. 93-97.
3. Янюк, В.М. Учет пространственного варьирования влагозапасов в почве при агроэкологической оценке средств полива / В.М. Янюк, A.C. Фалькович // Мелиорация и водное хозяйство. - 2002.- №5. -С. 29-31.
4. Пронько, H.A. Функции влагопроводности как характеристики физического состояния орошаемых почв / H.A. Пронько, A.C. Фалькович // Плодородие. - 2005. -№ 3. -С. 39-40.
5. Пронько, H.A. Влияние систем эксплуатации на водно-солевой режим почв Саратовского Заволжья / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, B.C. Бурунова // Вестник СГАУ. - Вып. 2 - Саратов, 2006. - № 5. - С. 19-23.
6. Янюк, В.М. Учет погодно-ценовых рисков при экономической оценке сельскохозяйственных угодий / В.М. Янюк, A.C. Фалькович // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. - 2007. - № 3. - С. 25-28.
7. Пронько, H.A. О путях решения проблемы борьбы с деградацией орошаемых земель Саратовской области / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалько-
вич, C.B. Затинацкий //Вестник СГАУ. - 2009. - № 4. - С. 38-45.
8. Фалькович, A.C. Моделирование солевого режима темно-каштановых почв Саратовского Заволжья / A.C. Фалькович, H.A. Пронько // Вестник СГАУ. - 2009. -№ 5. - С. 43-46.
9, Пронько, H.A. Изменение гидрофизических функций при техногенной трансформации орошаемых темно-каштановых почв Саратовского Заволжья / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, Л.Г. Романова //Вестник СГАУ,- 2009.-№ 9 - С. 29-34.
Ю.Пронько, H.A. Применение геоинформационных технологий для пространственного моделирования водно-солевого режима орошаемых земель сухостепного Поволжья / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, В.В. Корсак // Вестник СГАУ. - 2010. - № 9. - С. 13-16.
11.Фалькович, A.C. Прогноз водно-солевого режима почвогрунтов в системе проектирования и мониторинга объектов мелиорации /A.C. Фалькович, H.A. Пронько // Вестник СГАУ. - 2010,- № 10. - С. 62-69.
12.Пронько, H.A. Подготовка исходных данных с использованием средств ГИС-анализа при моделировании водно-солевого режима орошаемых земель Саратовского Заволжья / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович // Научное обозрение. - 2010.- № 6. - С. 76-82.
13.Фалькович, A.C. Функции влагопроводности трещиноватых темно-каштановых почв Заволжья / A.C. Фалькович // Вестник СГАУ- 2011.- № 7. -С. 66-68.
14.Пронько, H.A. Методология создания системы мониторинга солевого режима мелиорированных угодий Поволжья / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович // Вестник СГАУ. - 2011,- № 8. - С. 52-55.
15.Фалькович, A.C. Значения гидрофизических параметров для моделирования влагопереноса в террасовых темно-каштановых почвах Нижнего Поволжья / A.C. Фалькович // Научное обозрение. - 2011.- № 3. - С. 13-17.
16. Фалькович, A.C. Оценка экономической эффективности прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв сухостепного Поволжья / A.C. Фалькович // Научное обозрение. - 2011,- № 3. - С. 18-27.
Монографии
17.Пронько, H.A. Изменение плодородия орошаемых каштановых почв Поволжья в процессе длительного использования и научные основы его регулирования /H.A. Пронько, Л.Г. Романова, A.C. Фалькович. - Саратов: Изд-во СГАУ, 2005. - 220 с.
18.Пронько, H.A. Влияние ирригационного техногенеза на водно-солевой режим темно-каштановых почв и формирование растительных сообществ в Саратовском Заволжье / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, B.C. Бурунова, E.H. Шевченко. - Саратов: Изд-во СГАУ, 2006. - 120 с.
В прочих изданиях
19.Кузник, В.М. Лабораторный метод определения коэффициента конвективной диффузии / В.М. Кузник, A.C. Фалькович //Совершенствование ме-
лиоративных систем, способов и техники полива сельскохозяйственных культур в Поволжье : Сб. науч. работ. М.: ВНИИГиМ, 1978. - Вып.2. - С. 117121.
20.Платонова, Т.К. К вопросу определения фильтрационных свойств трещиновато-пористых грунтов Низкого Сыртового Заволжья / Т.К. Платонова,
A.C. Фалькович //Мелиоративное состояние орошаемых земель Поволжья и их эффективное использование: Сб. науч. работ. - М.: ВНИИГиМ, 1984. - С. 44-49.
21.Платонова, Т.К. Влияние основных свойств почв низкого Сыртового Заволжья на гидрофизические функции / Т.К. Платонова, A.C. Фалькович //Гидрофизические функции и влагометрия почв: Тезисы докладов Всесоюзного совещания 21-23 окт. 1987. - Л.: Агрофизический ин-т, 1987. - С.77-78.
22. Фалькович, A.C. Определение гидрофизических и гидрохимических характеристик почв и подстилающих грунтов Северо-Ершовской оросительной системы и выбор адекватной модели миграции растворенных веществ / A.C. Фалькович, Т.К. Платонова, B.C. Доржиев// Мелиорация и использование орошаемых земель степной зоны : Научные труды ВАСХНИЛ. - М.: Агро-промиздат, 1988. - С. 56-62.
23.Фалькович, A.C. Метод расчета коэффициентов влагопроводности по данным нестационарного эксперимента/ A.C. Фалькович //Тезисы докладов 8 Всесоюзного съезда почвоведов. -Новосибирск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 1989.-Кн. 1.-С. 116.
24.Фалькович, A.C. Алгоритм и программа расчета на ЭВМ коэффициентов влагопроводности почвогрунтов /A.C. Фалькович // Информационный листок, N 370-89. - Саратов: ЦНТИ, 1989. - 3 с.
25.Фалькович, A.C. К вопросу об определении основной гидрофизической характеристики почв / A.C. Фалькович, Л.Г. Романова //Мелиорация и водохозяйственное строительство : Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. -Тбилиси: ГрузНИИГиМ, 1989.- С. 58.
26.Кузник, В.М. Особенности миграции иона хлора в трещиноватых и нетрещиноватых почвогрунтах / В.М. Кузник, A.C. Фалькович, Л.Н. Шмыгля,
B.C. Доржиев //Проблемы мелиорации земель Поволжья : Сб. науч. работ. -М.: ВНИИГиМ, 1989. -С. 53-59.
27.Янюк, В.М. Оценка влагообеспеченности посевов на основе моделирования водного режима / В.М. Янюк , A.C. Фалькович, В.В. Майорова, Л.Г. Романова // Совершенствование мелиоративных технологий и оросительных систем Поволжья. -Саратов, 1995. - С. 33-37.
28.Янюк, В.М. Диагностика мелиоративного состояния орошаемых земель в системе мониторинга земель с использованием компьютерных технологий / В.М. Янюк, A.C. Фалькович, Л.И. Лимарева //Информационный листок N 203-96. - Саратов: ЦНТИ, 1996. -3 с.
29.Янюк, В.М. Агроэкологическая оценка технических средств и технологий управления водным режимом / В.М. Янюк, A.C. Фалькович, Н.Ф. Рыжко, В.В. Майорова // Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степных и
лесостепных районах России : Тезисы докл. Всеросс. научн.-практ. конф. -Волгоград, 1998. - С. 135-136.
30.Фалькович, A.C. Оценка влияния мелиоративных процессов на коэффициенты влагопроводности почв Заволжья/ A.C. Фалькович // Научные проблемы мелиорации и электрификации сельского хозяйства в зоне Нижнего Поволжья: Сб. научн. работ. - Саратов: СГАУ им. Н.И.Вавилова, 1999. - С. 1527.
31.Фалькович, A.C. Прогноз водно-солевого режима почвогрунтов при разработке проекта реконструкции оросительной системы и определение параметров миграции влаги и солей / A.C. Фалькович, H.A. Пронько // Вопросы мелиорации и водного хозяйства Саратовской области : Сб. научн. трудов. -Саратов: СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2002. - С. 23-33.
32.Пронько, H.A. Автоматизированная оценка мелиоративного состояния и прогнозирование его изменения при мониторинге орошаемых земель субаридной зоны Поволжья / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, В.В. Корсак, О.Ю. Холуденева // Устойчивое землепользование в экстремальных условиях : Материалы международной науч.-практ. конф. - Улан-Удэ, 2003. - С. 38-40.
33.Фалькович, A.C. Влияние осолонцевания и подъема грунтовых вод на функцию влагопроводности орошаемых каштановых почв Заволжья / H.A. Пронько, A.C. Фалькович // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. Труды Всеросс. конф. - М., 2003. - С. 257-259.
34.Корсак, В.В. Геоинформационные системы в гидромелиорации / В.В. Корсак, C.B. Затинацкий, A.C. Фалькович // Геоинформационные системы в гидромелиорации: Учебное пособие. - М.: МГУП, 2003. - 88 с.
35.Фалькович, A.C. Математическое моделирование водносолевого режима орошаемых почв / A.C. Фалькович, H.A. Пронько, B.C. Бурунова, Л.Л. Пило-ян // Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. Вавиловские чтения. - Саратов, 2004. - С. 88-90.
36.Пронько, H.A. Снижение негативных воздействий оросительных мелио-раций на экосистемы Среднего Поволжья / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович, О.Ю. Холуденева // Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: Материалы междунар. совещания.- Саратов, 2005. - С.44-45.
37.Фалькович, A.C. Решение квазилинейного дифференциального уравнения теплопроводности методом разложения по малому параметру /A.C. Фалькович //Деп. в ВИНИТИ 18.05.2005 № 714 В2005: Библ. указат. депонир. науч. работ. - М„ 2005. -№ 7. - С.111.
38.Фалькович, A.C. Определение параметров функций массопереноса методом нелинейной регрессии с использованием приближенного решения уравнения параболического типа /A.C. Фалькович // Деп. в ВИНИТИ 18.05.2005 №715 В2005: Библ. указат. депонир. науч. работ.- М., 2005. - № 7. - С. 111.
39.Фалькович, A.C. Неблагополучные по засолению и УГВ орошаемые земли Саратовского Заволжья в условиях социально-экономического кризиса / A.C. Фалькович, H.A. Пронько, B.C. Бурунова // Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. Вавиловские чтения. - Саратов, 2005. - С. 57-60.
40.Пронько, H.A. Комплексные полевые наблюдения за ростом и развитием
сои при орошении как основа для моделирования продукционных процессов / H.A. Пронько, Л.Л.Пилоян, A.C. Фалькович // Материалы Всеросс. научн,-практ. конф. Вавиловские чтения. - Саратов, 2005. - С. 54-57.
41.Пронько, H.A. Прогнозирование изменений эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель Заволжья с помощью математического моделирования их солевого режима / H.A. Пронько, A.C. Фалькович, В.В. Корсак, B.C. Бурунова //Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях: Сб. науч. тр. - Ставрополь : Агрус, 2005. - С. 126-130.
42.Пронько, H.A. Мониторинг мелиоративного состояния длительно орошаемых земель сухостепного Заволжья с использованием геоинформационных технологий / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович, Т.В. Корнева, B.C. Бурунова // Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства: Материалы Всеросс. науч-практ. конф. - Пенза, 2005. -С. 151-154.
43.Романова, Л.Г. Методики определения кривых водоудерживания и расчета гидрофизических параметров в применении к почвам сухостепной зоны Поволжья / Л.Г. Романова, A.C. Фалькович // Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации: Труды Всеросс. конф,- М., 2005. - С. 88-90.
44.Фалькович, A.C. Информационное обеспечение прогноза осолонцевания орошаемых темно-каштановых почв Заволжья / A.C. Фалькович, H.A. Пронько, B.C. Бурунова// Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации: Труды Всеросс. конф. - М., 2005.- С. 152-153.
45.Фалькович, A.C. Водно-солевой режим темно-каштановых почв при изменении систем эксплуатации длительно орошавшихся земель Саратовского Заволжья / A.C. Фалькович, H.A. Пронько, B.C. Бурунова, // Технические, технологические и экологические проблемы орошения земель Поволжья: Сб. науч. трудов по материалам конференции, поев. 40-летию ФГНУ ВолжНИИ-ГиМ. - Саратов, 2006.-С. 106-115.
46.Пронько, H.A. Влияние длительного орошения на ферментативную активность почв Саратовского Заволжья / H.A. Пронько, Г.К. Соловова, A.C. Фалькович, B.C. Бурунова // Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. Вавиловские чтения. - Саратов, 2006. - С. 63-67.
47. Пронько, H.A. Влияние ирригационного техногенеза на формирование растительных сообществ в Саратовском Заволжье / H.A. Пронько, E.H. Шевченко, A.C. Фалькович, B.C. Бурунова // Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. Вавиловские чтения.- Саратов, 2006. - С. 67-72.
48.Шевченко, E.H. Характеристика растительности и видового состава ме-лиоративно-неблагополучных земель Энгельсского района, выведенных из категории пахотных / E.H. Шевченко, H.A. Пронько, A.C. Фалькович, В.С.Бурунова // Бюллетень Ботанического сада СГУ. - Вып. 6. - Саратов, 2007. - С 25-28.
49.Янюк, В.М. Влияние погодных и ценовых рисков на результаты экономической оценки сельскохозяйственных угодий / В.М. Янюк, A.C. Фалькович, Н.М. Губин //Вавиловские чтения-2007: материалы конф.: Ч. 2. - Саратов: Научная книга, 2007. - С. 198-202.
50.Пронько, H.A. Экономическая эффективность прогноза водно-солевого режима с использованием коэффициентов влагопроводности / H.A. Пронько,
A.C. Фалькович, В.В. Корсак // Проблемы научного обеспечения сельскохозяйственного производства и образования: Сб. науч. работ. - Саратов: Научная книга, 2008. - С.189-193.
51.Пронько, H.A. Оценка засоления земель Саратовского Заволжья с помощью ГИС-технологий / H.A. Пронько, В.В. Корсак, Т.В. Корнева, A.C. Фалькович //Проблемы научного обеспечения сельскохозяйственного производства и образования: Сб. науч. работ. - Саратов: Научная книга, 2008. - С.197-199.
52.Пронько, H.A. Геоинформационная система поддержки принятия решений по управлению производством растениеводческой продукции и плодородием орошаемых земель сельскохозяйственного предприятия / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович , Т.В. Корнева, C.B. Затинацкий // Четвертый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций.- Саратов: Изд-во СГУ,
2009. - Ч. 2. - С. 37-38.
53.Пронько, H.A. Выявление пестроты почвенного плодородия орошаемых земель Саратовского Заволжья с помощью ГИС-технологий / H.A. Пронько,
B.В. Корсак, Т.В. Корнева, A.C. Фалькович // Основы рационального природопользования: Материалы 2 Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов, 2009. - С. 200-203.
54.Пронько, H.A. Комплексный локальный геоинформационный мониторинг орошаемых агроландшафтов Поволжья/ H.A. Пронько, A.C. Фалькович, В.В. Корсак //Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства: Материалы юбилейной междунар. конф. «100-летие мелиоративной науки в России, 85-летие ВНИИГиМ». Т. 1. - М., 2009. - С. 161-166.
55.Фалькович, A.C. Программа для расчета коэффициента влагопроводности по данным эксперимента на капилляриметре/ A.C. Фалькович //Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611932 от 15 апреля 2009,- 1 с.
56.Янюк, В.М. Учет пространственно-временного варьирования характеристик при моделировании агропроизводительной способности орошаемых почв / В.М. Янюк, A.C. Фалькович // Биосферные функции почвенного покрова: Материалы Всеросс. научн. конф., поев. 40-летнему юбилею Ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. - Пущино,
2010. - С. 368-370.
57.Пронько, H.A. Геоинформационная система поддержки принятия решений по управлению производством растениеводческой продукции и плодородием орошаемых земель / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович, C.B. Затинацкий, Т.В. Корнева // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Ч. 1. - Саратов: Изд-во СГАУ, 2011. - С. 43-44.
5 8.Пронько, H.A. Геоинформационная система прогнозирования солевого режима орошаемых земель сухостепного Заволжья / H.A. Пронько, В.В. Корсак, A.C. Фалькович, О.Ю. Холуденева // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Ч. 1. - Саратов: Изд-во СГАУ, 2011. - С. 44.
Подписано в печать 27.09.2011. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать цифровая. Объем 2.0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 140-T
Типография СГУ г. Саратов, ул. Б. Казачья 112а тел.: (845-2) 27-33-85
Содержание диссертации, доктора технических наук, Фалькович, Александр Савельевич
Введение.
Глава 1. Состояние изученности проблемы и обоснование направлений исследований
1.1. Водно-солевой режим почв и подстилающих пород и его математическое моделирование
1.2. Изучение водно-солевого режима почв в Поволжье и определение параметров влаго- и солепереноса в почвах и подстилающих породах
1.3. Информационные технологии управления мелиоративным режимом почв
1.4. Мониторинг водно-солевого режима мелиорированных земель
Глава 2. Природные условия и методика проведения исследований
2.1. Почвенно-климатические условия
2.2. Гидрогеолого-мелиоративные условия
2.3. Схемы опытов
2.4. Методика проведения исследований.
Глава 3 Концепция мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья
3.1. Существующее состояние мониторинга солевого режима земель сельскохозяйственного назначения
3.2. Методологические основы создания и ведения мониторинга солевого режима мелиорированных земель
Глава 4. Водно-солевой режим мелиорированных темно-каштановых почв Нижнего Поволжья после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования
4.1. Уменьшение водоподачи и водно-солевой режим почв
4.2. Прекращение орошения и водно-солевой режим почв
4.3. Вывод земель из категории пахотных и водно-солевой режим
Глава 5. Гидрофизические функции, фильтрационные свойства и параметры миграции солей темно-каштановых почв Нижнего
Поволжья
5.1. Гидрофизические функции почв и их трансформация при смене типа водного питания и состава почвенно-поглощающего комплекса
5.2. Фильтрационные свойства почв и подстилающих пород при различной выраженности трещиноватости
5.3. Параметры миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвах и подстилающих породах.
Глава 6. Моделирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья
6.1. Выбор и описание модели.
6.2. Исходные данные
6.3. Результаты моделирования
Глава 7. Прогнозирование солевого режима темно-каштановых почв Поволжья на основе геоинформационных технологий и математического моделирования
7.1. База данных и структура базы знаний для моделирования влагои солепереноса в Нижнем Поволжье
7.2. Метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования
Глава 8. Оценка экономической эффективности прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв сухостепного Поволжья 238 Выводы
Предложения производству
Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Геоинформационный мониторинг и прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья"
Актуальность работы. В Нижнем Поволжье в результате широкой ирригации, развернутой во второй половине XX века, и сокращения площадей регулярного орошения после 1990 гг. дважды происходило резкое изменение водного баланса значительных территорий.
Увеличение приходной части водного баланса при орошении значительных территорий региона вызвало развитие многих деградационных процессов. Среди них наибольший вред был нанесен подъемом уровня грунтовых вод, вторичным засолением и осолонцеванием. Спустя тридцать лет после начала широкой ирригации, доля мелиоративно неблагополучных земель возросла до 26,9 % в Саратовской области и до 20,8% - в Волгоградской. Грунтовые воды поднялись до глубины менее 2 м в Саратовской области на площади -14,0, Волгоградской -7,9, Астраханской - 6,5 тыс. гектар. Площадь засоленных земель составила 13,9; 37,5; 30,7 тыс. гектар. Все эти негативные процессы обусловили недостаточную продуктивность орошаемых агроланд-шафтов региона и низкую стабильность производства растениеводческой продукции на них. Поэтому в 1980-90-х годах значительная часть деградированных орошаемых земель была списана и перешла в разряд неорошаемых или выведенных из сельскохозяйственного оборота. Последующий характер происходящих в них почвенно-мелиоративных процессов не изучен.
Одна из основных причин ухудшения мелиоративного состояния орошаемых агроландшафтов региона кроется в низкой обоснованности проектных решений строительства большинства оросительных систем, введенных в эксплуатацию во второй половине XX века, вследствие отсутствия или низкого качества прогнозирования на основе математического моделирования водно-солевого режима орошаемых земель. Математические модели, адекватно описывающие данный процесс, были разработаны позднее JI.M. Рексом и A.M. Якиревичем (1981), Я.А. Пачепским, Е. Мироненко и P.A.
Шестаковым (1983), Р. Феддесом (1978). Однако для их практического использования крайне недостаточной была изученность физических свойств и параметров миграции влаги и солей для зональных почв. Не менее важной причиной роста площадей мелиоративно неблагополучных земель была слабая обоснованность эксплуатационных режимов орошения результатами мониторинга мелиоративного состояния земель. При этом негативную роль играла устаревшая система мониторинга солевого режима, базирующаяся на использовании устаревших бумажных носителей географически непривязанной информации, в которой отсутствовал долговременный прогноз изменения уровня грунтовых вод и засоления.
В связи с этим весьма актуальной проблемой для науки и практики является экспериментальное изучение физических свойств и процессов влаго-солепереноса в зональных почвах, обеспечивающих возможность его моделирования и повышения точности прогноза водного и солевого режима и совершенствование системы его мониторинга.
Целью диссертационной работы являлось прогнозирование мелиоративного состояния темно-каштановых почв Нижнего Поволжья на основе совершенствования мониторинга водно-солевого режима и разработки базы данных и знаний для его моделирования.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
1) разработать концепцию мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;
2) изучить водно-солевой режим на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;
3) разработать программные средства для построения функции влаго-проводности и экспериментально определить параметры: фильтрационные, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв Нижнего Поволжья;
4) выполнить моделирование водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;
5) разработать базу данных и структуру базы знаний для моделирования влаго- и солепереноса;
6) разработать метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования.
Методы исследований. В работе использовались теоретические методы исследования - математическое моделирование, системный анализ, геоинформационное моделирование и геоинформационный анализ, математическая статистика и экспериментальные методы - полевые и лабораторные опыты по изучению фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв, изменения водно-солевого режима мелиорированных территорий после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования.
Объекты исследований: орошаемые темно-каштановые почвы: авто-морфные, гидроморфные, неосолонцованные, осолонцованные, трещиноватые, нетрещиноватые; мелиоративно неблагополучные длительно орошавшиеся земли, на которых было прекращено орошение, находящиеся в сельскохозяйственном использовании, и выведенные из категории пахотных.
Предмет исследований: процесс влагосолепереноса.
Научная новизна состоит в том, что: впервые разработаны концепция геоинформационного мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья и метод прогнозирования солевого режима почв, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования; определены значения фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ для орошаемых темно-каштановых почв; установлены закономерности изменения: солевого режима мелиоративно неблагополучных мелиорированных земель после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования, значений фильтрационных параметров, гидрофизических функций и миграции растворенных веществ под влиянием искусственного гидромор-физма и осолонцевания; создана база данных и структура базы знаний для моделирования солепереноса.
Положения, выносимые на защиту:
- концепция мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;
- закономерности изменения водно-солевого режима на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;
- экспериментально определенные значения комплекса параметров, необходимых для моделирования влаго- и солепереноса, - гидрофизических функций, фильтрационных свойств почв и подстилающих пород с различной выраженностью трещиноватости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвах;
- база данных и структура базы знаний для моделирования влаго- и солепереноса;
- результаты моделирования водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;
- метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретический вклад работы заключается в выявлении закономерностей солевого режима длительно орошавшихся темно-каштановых почв в результате изменения водного баланса мелиорированных территорий Нижнего Поволжья из-за уменьшения или прекращения водоподачи; определении основных гидрофизических свойств и параметров, определяющих влагосолеперенос в региональных почвах, и установлении закономерностей их трансформации под влиянием мелиоративно неблагополучных процессов; разработке метода ГИС-прогнозирования солевого режима почв.
Практическая значимость заключается в том, что использование для моделирования солевого режима темно-каштановых почв базы данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров и параметров миграции растворенных веществ почв, закономерностей их изменения в процессе техногенеза повысит качество прогнозирования солевого режима и обоснованность принимаемых проектных решений строительства и реконструкции оросительных систем в регионе. Внедрение предлагаемой системы мониторинга солевого режима обеспечит сохранение благоприятного эколого-мелиоративного состояния поливных агроландшафтов Нижнего Поволжья за счет предотвращения негативных процессов подъема уровня грунтовых вод и засоления.
Достоверность полученных результатов, разработанных положений и выводов подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного с применением утвержденных ГОСТов; применением современных методов математической обработки результатов исследований с использованием ЭВМ; хорошим соответствием между расчетными и экспериментальными данными, подтвержденным методами математической статистики.
Личный вклад автора. Научные разработки, составляющие суть данной работы (научная гипотеза, постановка целей и задач исследований, выбор путей их теоретического и экспериментального решения, проведение экспериментальных исследований, решение дифференциального уравнения влагопереноса, алгоритм и программа для расчета коэффициентов влагопро-водности и результаты расчетов по определению значений параметров миграции влаги и солей в почвах исследуемого региона, анализ полученных результатов, выводы и предложения производству), выполнены лично автором.
Реализация результатов исследований. Геоинформационный мониторинг солевого режима орошаемых почв внедрен на поливных землях ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области площадью 1665 га и на орошаемых и богарных землях ЗАО «Новое» Энгельсского района Саратовской области на площади 2500 га с экономическим эффектом от повышения качества управления плодородием орошаемых земель соответственно 920 и 820 руб./га. Внедрение программных средств прогнозирования солевого режима в Саратовской гидромелиоративной партии при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз» на площади 257,3 тыс. га снизило трудовые и материальные затраты на проведение полевых работ и обработку данных химических анализов с суммарным экономическим эффектом 112 тыс. руб. в год.
Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2003); «Агроэколо-гические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005); «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); «100-летие мелиоративной науки в России, 85-летие ВНИИГиМ» (Москва, 2009); международном совещании, посвященном 10-летию Саратовского филиала ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Саратов, 2005); всероссийских научно-практических конференциях, посвященных 117, 118, 119, 120-летию со дня рождения H.H. Вавилова (Саратов, 2004-2007), всероссийских научных конференциях «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» и «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003, 2005); Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летию Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино, 2010); научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2001-2011); конференции, посвященной 40-летию ФГНУ
ВолжНИИГиМ (Саратов, 2006); 4 и 6 Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009 и 2011).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, из них 2 монографии, 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 39 статей в сборниках научных работ, в том числе по материалам международных и всероссийских научно-технических конференций. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 46 п.л., из них доля автора - 18 п.л.
Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Фалькович, Александр Савельевич
выводы
1. Кардинальное повышение качества использования мелиорированных земель возможно только на основе создания современного мониторинга водного и солевого режима почв, обязательными функциями которого наряду с наблюдениями за их состоянием станет прогноз изменения и выработка рекомендаций по регулированию мелиоративного состояния. Концептуальной методологической основой создания и ведения такого мониторинга является его структура общей информационной системы, в которой должны быть выделены три группы компонентов: средства получения данных; информационная база (базы данных и знаний, цифровая карта) и блок поддержки принятия решений или блок анализа (математические модели влаго- и солеперено-са, средства анализа и визуализации данных, экспертные системы).
2. Общая информационная система мониторинга солевого режима орошаемых земель должна разрабатываться как геоинформационная модель солевого режима, учитывающая параметры его состояния в разные моменты времени и в их пространственной взаимосвязи. Основными компонентами геоинформационной модели являются: база данных, предназначенных для прогнозирования солевого режима; программы для определения параметров водного и солевого режима; средства прогнозирования солевого режима -компьютерные реализации математических моделей влаго- и солепереноса.
3. Результаты мониторинга показали, что изменение солевого режима темно-каштановых длительно орошавшихся почв происходит не только под влиянием смены характера их дальнейшего использования, сопровождавшейся уменьшением приходной части водного баланса мелиорированных территорий, но также степени их дренированности и весеннего снеготаяния, определяющими водный режим почв и подстилающих пород.
- При снижении водоподачи на 50% на орошаемых землях, характеризовавшихся в 1986 г. отсутствием засоления, при весьма слабой дренированности уровень грунтовых вод остался на прежней глубине и они продолжали участвовать во влагообмене корнеобитаемого слоя, в результате чего к 2006 г. содержание токсичных солей по всему метровому почвенному профилю увеличилось с 0,036 до 0,176%. Наибольшее увеличение токсичных солей произошло в подпахотных слоях, пахотный горизонт благодаря поливам остался незаселенным.
- При прекращении в 1991 г. орошения остающихся в сельскохозяйственном обороте слабозасоленных в пахотном горизонте почв, на фоне слабой дренированности территории к 2005 г. уровень грунтовых вод понизился на 1,0-1,5 м, наметилась тенденция снижения содержания токсичных солей в 030 см слое с 0,162-Ю, 196% до 0,044-Ю,029% и произошло значительное перераспределение ионов по почвенному профилю, вследствие которого наибольшая их концентрация сместилась из пахотного горизонта во второй полуметр.
- При выведении земель из категории пахотных, при снижении уровня грунтовых вод за 15 лет на фоне слабой дренированности территории на 1,01,5 м, тем не менее исключившем их участие в водном режиме корнеобитаемого слоя, произошло увеличение содержания токсичных солей во втором полуметре и уменьшение в верхнем полуметровом слое, в результате чего он перешел из среднезасоленного в незаселенный и из сильно в среднезасолен-ный. При очень слабой дренированности и продолжающемся участии грунтовых вод в водном режиме корнеобитаемого слоя процесс засоления за 20 лет, напротив, прогрессировал: содержание токсичных солей в метровом слое увеличилось с 0,166 до 0,320%.
4. Экспериментально установлены значения параметров основной гидрофизической характеристики и функции влагопроводности террасовых темно-каштановых почв, рассчитанные по разработанной методике и программе, зарегистрированной в Государственном реестре программ РФ. Доказано, что они существенно трансформируются при изменении типа водного питания и состава почвенно-поглощающего комплекса.
- С уменьшением относительной влажности от 1,0 до 0,1 значения коэффициентов влагопроводности гидроморфных почв уменьшаются на 2 порядка с 0,001 до 10~5 м/сут, у автоморфных - на 3 порядка с 0,1 до 10~4 м/сут, что объясняется реорганизацией структуры порового пространства, обусловленной изменением плотности и характера распределения пор.
- При влажности, близкой к полной влагоемкости, в осолонцованной почве коэффициент влагопроводности на 3 порядка больше по сравнению с не-осолонцованной почвой. Диапазон доступной влаги у осолонцованной почвы составляет 4,4% против 17,5% от объема почвы для неосолонцованной почвы.
5. Экспериментально доказано, что наличие трещиноватости увеличивает скорость движения влаги - максимальные значения скорости движения влаги составляют 0,21 для трещиноватых и 0,03 м/сут для нетрещиноватых почв, различаясь на порядок с 0,1% уровнем значимости.
Зависимость коэффициента влагопроводности от объемной влажности для трещиноватых темно-каштановых почв, полученная объединением данных о движении влаги при влажности, близкой к полной влагоемкости, полученных методом промывки монолитов, с данными эксперимента на капилля-риметре, описывается экспоненциальной зависимостью
If - „-ОД56202 +11,9030-225,32 о л. - е с уровнем достоверности R = 0,997.
6. Экспериментально доказано, что солеперенос в нетрещиноватых почвах лучше описывается уравнением конвективной диффузии, в трещиноватых почвах - модифицированным уравнением конвективной диффузии, учитывающим обмен солями между транзитными порами и остальной частью порового пространства.
Установлены параметры миграции солей: для нетрещиноватых почв коэффициент конвективной диффузии D = 2 • 10"4 -н 5,5 • 10"4 м /сут, для почв с
3 2 выраженной трещиноватостью D = 3 10" м /сут.
7. Адаптация модели SWAP на основе сравнения результатов моделирования солевого режима длительно орошавшихся почв, выведенных из орошения и разряда пахотных за период 1986 - 2005 гг., с данными полевых об
250 следований, показала пригодность модели для прогнозирования засоления-рассоления почв в эколого-мелиоративных условиях Саратовского Заволжья, что доказывается хорошей сходимостью между расчетными и фактическими данными.
Применение для моделирования водно-солевого режима вторично осо-лонцованных почв полученной в диссертации функции влагопроводности для трещиноватых почв существенно повысило точность расчета. Стандартная ошибка оценки составила 0,077% солей, коэффициент Тейла - 0,11 против 0,125% солей, коэффициента Тейла - 0,21 без применения данной функции.
8. Для моделирования влаго- и солепереноса в среде Microsoft Access разработана база данных, включающая реляционные таблицы: «Объекты», «Профили», «Гидрофизика», «Солеперенос», «Агрокалендарь», «Метеоданные», «Биоклимкоэффициенты», «Вытяжка», «Водная физика», в которых предусмотрены специальные кодовые поля для связи с объектами слоев цифровой карты контролируемой территории, обеспечивающей пространственную привязку объектов и профилей и пространственно-обусловленный отбор информации для моделирования.
Для базы знаний прогнозирования солевого режима выбрано процедурное представление, при этом правила решения каждой отдельной проблемы (модели решения) записываются в реляционной таблице «Правила», для обработки которой применяются запросы Microsoft Access, что позволяет добиться большего универсализма базы знаний и обеспечить возможность ее переноса на более поздние версии базовой СУБД.
9. Разработан метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования. Его основу составляет алгоритм создания объединенной цифровой модели орошаемого массива, являющейся наиболее адекватным его отображением с точки зрения моделируемых процессов влаго- и солепереноса. Результаты моделирования транспорта влаги и солей, проведенного для каждой опера-ционно-территориальной единицы, представляют собой совокупность пространственно привязанных значений, которые с помощью интерполяции распространяются на всю поливную территорию.
10. Применение разработанного метода прогнозирования солевого режима почв за счет уменьшения рисков засоления поливных земель и снижения их продуктивности обеспечивает для условий Саратовского Заволжья чистый дисконтированный доход 21 тыс. руб./га при индексе доходности затрат 2,48 и сроке окупаемости инвестиций 8 лет.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
Информационную систему мониторинга мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель Нижнего Поволжья рекомендуется разрабатывать как геоинформационную объектно-ориентированную модель солевого режима почв.
Для повышения качества и экологической обоснованности проектов строительства и реконструкции орошаемых участков Нижнего Поволжья рекомендуется использовать при долгосрочном прогнозировании изменений солевого режима темно-каштановых почв разработанную базу данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров почвогрунтов с различной выраженностью трещинова-тости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвогрунтах.
Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, доктора технических наук, Фалькович, Александр Савельевич, Саратов
1. Аверьянов, С.Ф. Зависимость водопроницаемости почвогрунтов от содержания в них воздуха /С.Ф. Аверьянов // Доклады АН СССР. 1949. -т. 19.-№2.-С. 141-144.
2. Аверьянов, С.Ф. Некоторые вопросы предупреждения засоления орошаемых земель и меры борьбы с ним в Европейской части СССР /С.Ф. Аверьянов // Орошаемое земледелие в Европейской части СССР. М.: Колос, 1965.-С. 90-151.
3. Аверьянов, С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель /С.Ф. Аверьянов. М.: Колос, 1978. - 288 с.
4. Аверьянов, С.Ф. Некоторые вопросы предупреждения засоления орошаемых земель и меры борьбы с ним в Европейской части СССР /С.Ф. Аверьянов М.: Колос, 1985. - 345 с.
5. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1976. - 656 с.
6. Айдаров, И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель /И.П. Айдаров. М.: Агропромиздат, 1985. - 302 с.
7. Алексеева, А.Н. Сравнительная агрономическая характеристика черноземных и каштановых почв Саратовской области и изменение их свойств при сельскохозяйственном использовании: Дисс. канд. е.- х. наук./А.Н. Алексеева. Саратов, 1975. - 165 с.
8. Антипов-Каратаев, И.Н. Характеристика темно-каштановых почв Заволжья/ И.Н. Антипов-Каратаев, В.Н. Филиппова // Труды комиссии по ирригации. -М.-Л.: 1937. Сб. 10. - С. 11-62.
9. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв /Е.В.
10. Аринушкина. M.: Из-во МГУ, 1970. - 453с.
11. Артемьев В.И. Подземные воды Саратовской и прилегающих районов Воронежской и Сталинградской областей, 4.1 / Ин-т "Приволжгипро-сельхозстрой" Мин. с-х РСФСР. Гл. упр. канализационного строит. -Саратов: 1959.
12. Артемьев В.И. Гидрогеологическое районирование Саратовской области и прилегающих территорий Воронежской и Сталинградской областей. // Уч. зап. Саратов, ун-та. Саратов: 1960. - т.74
13. Арутюнова, JI.B. Компьютерная система управления применением средств химизации /J1.B. Арутюнова, В.Н. Захаров, В.В. Зиновьев, Т.Л. Малютина // Земледелие. 1991. - N9. - С. 56 - 57.
14. Базилевич, Н.И. Типы засоления природных вод и почв Барабинской низменности/ Н.И. Базилевич // Труды Почвенного ин-та им. В. В. Докучаева. М., 1953-Т. 36.-С. 129-133.
15. Базилевич, Н.И. Методические указания по учету засоленных почв/ Н.И. Базилевич, Е.П. Панкова. М.: Гипроводхоз., 1968. - 91 с.
16. Базилевич, Н.И. Учет засоленных почв / Н.И. Базилевич, Е.И. Панкова // Методические рекомендации по мелиорации солонцов и учету засоленных почв. М.: Колос, 1970.
17. Барановская, В.А. Влияние орошения на современный почвообразовательный процесс/ В.А. Барановская, В.И. Азовцев // Труды X Международного конгресса почвоведов-М., 1974.- Т. 10. С.132-136.
18. Барановская, В.А. Влияние орошения на миграцию карбонатов в почвах Поволжья/ В.А. Барановская, В.И. Азовцев // Почвоведение. 1981. - №10. - С. 17-26.
19. Барон, В.А. О выборе модели пористой среды в связи с прогнозом режима грунтовых вод/ В.А. Барон II Сб. науч. трудов ВСЕГИНГЕО-М.,1974. № 67. - С. 27-35.
20. Безднина, С.Я. Требования к качеству воды для орошения/ С.Я. Бездни-на. М: ВНИИГиМ, 1990. - 73 с.
21. Бодров, В. А. Основы системного подхода к почвенно-гидрофизическому обеспечению агроэкологических математических моделей : 06.01.03 : автореф. дисс. канд. с.-х. наук/ В.А. Бодров. Д., 1985.-21 с.
22. Бэр, Я. Физико-математические основы фильтрации воды / Я. Бэр, Д. Заславски, С. Ирмей. М.: Мир, 1971. - 452 с.
23. Вадовская, Е.В. Влияние орошения на засоленность почвогрунтов/ Е.В. Вадовская, Б.И. Костин // Вопросы эксплуатации оросительных систем Поволжья: Сб. науч. трудов. М.: ВНИИГиМ, 1982. - С. 19-22.
24. Вадовская, Е.В. Оправдываемость мелиоративных прогнозов в Поволжье / Е.В. Вадовская, М.Я.Фишман, B.C. Доржиев, З.Ф. Иванищева //Совершенствование оросительных систем Поволжья. Сб. науч. трудов. -М.: ВНИИГиМ, 1988.-С. 117-124.
25. Вадюнина, А.Ф. Методы исследования физических свойств почв / А.Ф. Вадюнина, З.А. Корчагина. М.: Агропромиздат, 1986. - 415с.
26. Варалляи, Д. Математическое описание водно-физических характеристик почв / Д. Варалляи, К. Райкаи, Е.В. Мироненко, Я.А. Пачепский, P.A. Щербаков // Почвоведение. 1982. - № 4. - С. 77-89.
27. Веригин, H.H. Некоторые вопросы химической гидродинамики, представляющие интерес для мелиорации и гидротехники / H.H. Веригин // Изв. АН СССР. Отд. технич. наук. 1953. - № 10. - С. 1369-1382.
28. Веригин, H.H. Методы лабораторного определения параметров диффузии и сорбции при фильтрации в пористых средах / H.H. Веригин, Н.К. Голованова. -М., 1971- 8 с.
29. Виноградов, Б.В. Дистанционный мониторинг антропогенных экосистем/ Б. В. Виноградов // Итоги науки и техники. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 1978. - Т. 4. - С. 75-150.
30. Виноградов, Б.В. Аэрокосмический мониторинг / Б.В. Виноградов. -М.: Наука, 1984.-320 с.
31. Волобуев, В. Р. Засоление в Азербайджане в естественно-историческом и мелиоративном освещении / В.Р. Волобуев. Баку: Изд-во АН АзССР, 1948. - 53 с.
32. Волобуев, В.Р. Генетические формы засоления почв Кура-Араксинской низменности/ В.Р. Волобуев. Баку: Изд-во АН АзССР, 1965. -215 с.
33. Волохова, A.A. Водно-солевой режим темно-каштановых почв в зоне Саратовского канала/ A.A. Волохова, Ю.И. Мазур // Мелиоративный прогноз и мероприятия по предупреждению засоления орошаемых земель в Поволжье. М.: ВНИИГиМ, 1974. - С. 128-142.
34. Волохова, A.A. О почвенных растворах Кутулукского массива орошения/ A.A. Волохова, Т.К. Платонова // Мелиоративный прогноз и мероприятия по предупреждению засоления орошаемых земель в Поволжье.-М.: ВНИИГиМ, 1974. С. 158-163.
35. Воронин, А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв / А.Д. Воронин. М.: МГУ, 1984. - 204 с.
36. Воронин, А.Д. Основы физики почв/ А.Д. Воронин. М.: Изд. МГУ, 1986.-243с.
37. Воронин, А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв /А.Д. Воронин // Почвоведение. 1990. - N 5. - С. 7-20.
38. Временное методическое пособие по мониторингу мелиорированных земель в Российской Федерации. М: Минсельхоз России, 1993. - 42с.
39. Галибин, А.Н. Трансформация труднорастворимых солей в сыртовых почвогрунтах при орошении /А.Н. Галибин // Использование орошаемых земель в Поволжье. Сб. науч. трудов. М.: ВНИИГиМ, 1983. - С. 95-100.
40. Галямин Е.П. Завершение разработки и введение головной АСУ Мар-ксовским районным производственным объединением «Полив» Саратовской обл. в эксплуатацию // отчет о НИР // ВНИИ гидротехники и мелиорации, 1983 г., 67 стр.
41. Гафуров, В.К. Влияние трещиноватости почвогрунтов на процесс впитывания влаги / В.К. Гафуров, Д.А. Кадыров, М.А. Непесов // Проблемы орошаемого земледелия в Туркменистане. Ашхабад: Ылым, 1981. -С. 76-80.
42. Глобус, A.M. Экспериментальная гидрофизика почв /A.M. Глобус. -М.;Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 355 с.
43. Глобус, A.M. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологиче-ских математических моделей /A.M. Глобус. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-424 с.
44. Глушко, Е. В. Методы геоэкологического космического мониторингасовременных ландшафтов аридных зон : 11.00.11 : автореф. дисс.докт. геогр. наук /Е.В. Глушко. М.: МГУ, 1992. - 43 с.
45. Голованов, А. И. Прогноз водно-солевого режима и дренажа на орошаемых землях: 06.01.02: автореф. дис. докт. техн. наук / А. И. Голованов. М.,1975. - 32 с.
46. Голованов, А. И. Природно-техногенные комплексы природообустрой-ства / А.И. Голованов, И. В. Корнеев // Учебное пособие. М.: МГУП, 1995.-74 с.
47. Голованов, А.И. Генетическое обоснование слоя стока / А.И. Голованов, Ю.И. Сухарев // Роль природообустройства в обеспечении устойчивого50.
-
Фалькович, Александр Савельевич
-
доктора технических наук
-
Саратов, 2011
-
ВАК 06.01.02
- Влияние различных систем эксплуатации на агроэкосистемы и солевой режим мелиорированных земель Саратовского Заволжья
- Влияние длительного орошения на свойства темно-каштановых почв Заволжья и агромелиоративные приемы их улучшения
- Информационные технологии рационального природопользования на орошаемых землях Поволжья
- Геоинформационная система ведения локального мониторинга эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель Саратовского Заволжья
- Агрогенетическая характеристика орошаемых почв Западного Казахстана и Северного Египта
