Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Инженерно-мелиоративные способы природообустройства минеральных гидроморфных почв Зауралья

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Макарова, Елена Николаевна, Екатеринбург

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

(РосНИИВХ)

На правах рукописи

МАКАРОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ ГИДРОМОРФНЫХ ПОЧВ ЗАУРАЛЬЯ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.г.н. М.П.Дальков

Екатеринбург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

С.

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

1. СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ МЕЛИОРАЦИЙ....... 8

1.1. СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ОСУШЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВ................................................... 8

1.2. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ УВЛАЖНЕНИЯ.................16

1.3. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ И ФОРМУЛЫ.......................................... 19

2. ПРИРОДНО- МЕЛИОРАТИВНЫЕ УСЛОВИЯ ЗАУРАЛЬЯ................. 34

2.1. АГРОКЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ...........................34

2.2. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ГИДРОГРАФИЯ.......................................38

2.3. ПОЧВЕННО- ЛИТОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ..............................40

2.4. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...................46

2.4.1. ПРИРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ............ 46

2.4.2. КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЕРИОДА НАБЛЮДЕНИЙ...... 52

2.4.3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..................... 53

2.4.4. РЕПРЕЗЕНТАТИВНОСТЬ ИССЛЕДУЕМОГО УЧАСТКА............55.

3. ВОДНЫЙ РЕЖИМ И ВОДНЫЙ БАЛАНС ОПЫТНОГО УЧАСТКА ......59

3.1. РЕЖИМ ПОЧВЕННО- ГРУНТОВЫХ ВОД................................. 59

3.1.1. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЖИМУ ГРУНТОВЫХ ВОД.........................59

3.1.1 РЕЖИМ ПОЧВЕННО- ГРУНТОВЫХ ВОД НА ОПЫТНОМ

УЧАСТКЕ...........................................................................62

3.2. ДРЕНАЖНЫЙ СТОК................................................................65

3.2.1. РЕЖИМ ДРЕНАЖНОГО СТОКА.......................................... 65

3.2.2. РАСЧЕТНЫЕ ПЕРИОДЫ ДЕЙСТВИЯ ДРЕНАЖА.....................69

3.3. РЕЖИМ ВЛАЖНОСТИ............................................................ 71

3.4. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА И ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ МЕЛИОРАЦИИ..76

3.5. СПОСОБ РАСЧЕТА ВЛАГОЗАПАСОВ.......................................80

3.6. ВОДНЫЙ БАЛАНС УЧАСТКА...................................................90

4. ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................95

4.1. КОНСТРУКЦИЯ ЛИЗИМЕТРОВ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................. 96

4.2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСПАРЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ СУШИ ..99

4.3. СУММАРНОЕ ИСПАРЕНИЕ И УРОЖАЙ................................. 102

4.4. ВОДООБМЕН МЕЖДУ ЗОНОЙ АЭРАЦИИ И ГРУНТОВЫМИ ВОДАМИ ............................................................................112

5. ЭКОЛОГО- ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНЖЕНЕРНО-

МЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ.......................................... 120

5.1. КАЧЕСТВО ПОЧВЕННО- ГРУНТОВЫХ ВОД ВОДНОБАЛАНСОВЫХ ЛИЗИМЕТРОВ..................................................................... 120

5.2. ХИМИЗМ ПОЧВЕННО- ГРУНТОВЫХ И ДРЕНАЖНЫХ ВОД В МЕЛИОРИРУЕМЫХ ПОЧВАХ.................................................129

5.3. ВЛИЯНИЕ ОСУШЕНИЯ НА УРОЖАЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР........................................................................... 145

5.4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОСУШЕНИЯ............... 147

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................................................151

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 153

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................. 172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эффективность использования мелиорированных земель и степень их воздействия на экологическую обстановку в немалой степени зависят от совершенства методов проектирования осушительных систем, важной составляющей которого является обоснование оптимальных экологически безопасных параметров дренажа с учетом почвенно-экологических условий конкретной территории.

К настоящему времени в Зауралье имеется относительно небольшой опыт мелиорации гидроморфных минеральных почв. Вследствие этого в условиях региона отсутствуют материалы комплексных полевых наблюдений за формированием почвенных режимов при их мелиорации. Все это сдерживает разработку научно-обоснованных методов расчета совершенных мелиоративных систем на этих почвах, которые должны не только обеспечивать существенный прирост сельскохозяйственной продукции, но и отвечать современным требованиям ресурсосбережения и экологизации производства.

Таким образом, рациональное использование земельных и водных ресурсов и их охрана невозможны без исчерпывающих представлений о трансформации этих ресурсов. Данные обстоятельства диктуют необходимость теоретического обобщения современного опыта гидромелиораций, проведения натурных исследований на наиболее репрезентативных почвах, а также разработки практических рекомендаций по оптимизации почвенных режимов при мелиоративном освоении минеральных гидроморфных почв и улучшению состояния окружающей среды.

Цель диссертационной работы: исследование агрогидромелиоративных особенностей минеральных гидроморфных почв и разработка способов природообу-стройства минеральных гидроморфных почв Зауралья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - выполнить анализ современных способов и методов мелиорации минеральных гидроморфных почв, включая двустороннее регулирование режимообразующих факторов;

- оценить комплекс агрогидромелиоративных условий Зауралья и обосновать целесообразность дополнительного увлажнения серых лесных глееватых почв в критические периоды развития сельскохозяйственных культур;

- изучить закономерности формирования водного режима и баланса мелиорируемых серых лесных глееватых почв;

- выявить зависимости между составляющими водного баланса при дополнительном увлажнении гидроморфных почв;

- получить коэффициенты водопотребления для различных сельскохозяйственных культур;

- оценить химизм почвенно-грунтовых и дренажных вод мелиорируемых

почв;

- выполнить эколого-экономическую оценку природообустройства гидроморфных почв.

Предметом исследований являются закономерности формирования почвенных режимов гидроморфных минеральных почв Зауралья, способы и методы их мелиорации.

Объекты исследований - серые лесные глееватые почвы.

Методология и методы выполнения работы. Методологической основой работы является обобщение современных представлений о формировании водного баланса в гидроморфных минеральных почвах и научно-методических подходов к их природообустройству. В основу натурных исследований положены методы активного эксперимента на мелиорируемом стационаре и моделирования почвенных режимов с применением воднобалансовых лизиметров. Обработка полученных экспериментальным путем данных проводилась с использованием аппарата математической статистики (дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализы).

Научная новизна. Впервые на примере серых лесных глееватых почв Зауралья на основе системного подхода установлены закономерности формирования водного, температурного и питательного режимов минеральных гидроморфных почв в зависимости от агрогидромелиоративных мероприятий.

На основе анализа существующих связей между осадками, испарением и дефицитом влажности воздуха определена вероятность появления недостатка влаги по

декадам и месяцам вегетационного периода, что позволило обосновать целесообразность дополнительного увлажнения гидроморфных почв Зауралья.

Проведена корректировка расчетных формул, используемых для определения составляющих водного баланса с учетом почвенно-гидрологических характеристик серых лесных глееватых почв Зауралья.

Получены коэффициенты удельного водопотребления для отдельных сельскохозяйственных культур, установлена связь коэффициентов водопотребления с их урожайностью как без дополнительного увлажнения, так и с увлажнением.

Выявлены зависимости концентрации химических веществ в почвенно-грунтовых и дренажных водах от их содержания в пахотном слое почвы, уровня почвенно-грунтовых вод, слоя дренажного стока и величины междренного расстояния.

Определены оптимальные и экологически безопасные уровни залегания почвенно-грунтовых вод, поддержание которых обеспечит не только получение максимальной продукции, но и экономное расходование оросительной воды.

Предложен способ расчета влагозапасов мелиорируемых почв Зауралья.

На защиту выносятся:

- способ и алгоритм расчета влагозапасов мелиорируемых земель применительно к природно-климатическим условиям Зауралья;

- уравнения связи между температурным режимом воздуха и почв в условиях осушения;

- оптимальные параметры закрытой регулирующей сети с точки зрения рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Практическая ценность работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительный научно-технический отчет по теме 3.1 проблемы 005.01.02 государственного плана НИР. Проведенные исследования нацелены на решение задач, связанных с оптимизацией режимообразующих факторов и совершенствованием методов проектирования мелиоративных систем гидроморфных минеральных почв Зауралья. Рекомендованные производству оптимальные параметры осушения серых лесных глееватых почв и их дополнительного увлажнения позволят повысить эффективность сельскохозяйственного производства и обеспечить эко-

номное расходование оросительной влаги. Результаты исследований химизма поч-венно-грунтовых и дренажных вод могут быть использованы для целенаправленного регулирования круговорота веществ в мелиорируемых агроэкосистемах. Изучение составляющих влагооборота является важным условием рационального природопользования при агрогидромелиоративном и водохозяйственном освоении речных бассейнов.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались на:

- республиканской научной конференции "Интенсивное земледелие и охрана окружающей среды" (г.Волгоград, 1989);

- научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в НПО "Среднеуральское" (г.Свердловск, 1990);

- XII научно-практической конференции почвоведов, агрохимиков и земледе-лов Поволжья и Урала (г.Казань, 1991);

- Всероссийской научно-практической конференции "Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек" (г.Екатеринбург, 1994);

- научно-технической конференции "Водные ресурсы и устойчивое развитие экономики Беларуси" (г.Минск, 1996);

- 2-ом Международном конгрессе " Вода: экология и технология" (г.Москва,

1996);

- 2-ом съезде общества почвоведов (г.Санкт-Петербург, 1996);

- 3-ем Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (г.Москва,

1998);

- 1-ой Всероссийской конференции "Лизиметрические исследования почв" (г.Москва, 1998);

- 6-ом горно-геологическом форуме "Природные ресурсы стран СНГ" (г.Санкт-Петербург, 1998).

Автор выражает глубокую багодарность научному руководителю - д.г.н. Далькову Михаилу Петровичу за методическую помощь и постоянное внимание к работе, а также к.б.н. Борисовой Галине Григорьевне за помощь в проведении исследований и постоянную поддержку.

1. СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ МЕЛИОРАЦИЙ

1.1 .СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ОСУШЕНИЯ

МИНЕРАЛЬНЫХ ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВ

Согласно классификации А.Д.Брудастова (1955) переувлажненные земли, являющиеся объектом мелиорации, подразделяются на три типа: болота, заболоченные земли, имеющие оформленные слои торфа до 30 см, и минеральные избыточно увлажненные. К ним он относил земли без торфяного слоя с поверхности, на которых наблюдается избыток вод разного происхождения. И.И.Плюснин (1971) считает заболоченными почвами все минеральные переувлажненные земли.

А.А.Роде (1955) к заболоченным относит почвы, подверженные постоянному или периодическому длительному избыточному увлажнению. Избыточным увлажнением автор считает такое состояние почвы, когда среднее содержание в ней влаги за вегетационный период превышает 70-80% полной влагоемкости.

По Ф.Р.Зайдельману (1981) минеральные гидроморфные почвы характеризуются периодическим или постоянным насыщением влагой отдельных горизонтов или всего профиля и формируются в условиях нормального или повышенного увлажнения в результате поступления вод различного происхождения.

Переувлажненные тяжелые почвы обладают рядом неблагоприятных водно-физических свойств, что предопределяет дифференцированный подход к способам их мелиорации (прил. 1). Характерные особенности таких почв - слабая водопроницаемость, низкая водоотдача, бесструктурность.

Минеральные гидроморфные почвы на начальных стадиях проявления гидро-морфизма можно успешно использовать в сельском хозяйстве без устройства дренажа. Поэтому в обширной группе минеральных гидроморфных почв необходимо выделить заболоченные почвы, непригодные для сельскохозяйственного использования без проведения мелиорации. Заболоченными следует считать такие минеральные гидроморфные почвы, в которых анаэробный процесс столь продолжителен, что затрудняет или вообще исключает рост и развитие растений.

Для выявления причин заболачивания почв необходимо установить такой гидрологический фактор, который вызывает длительный застой влаги в почвенных горизонтах, то есть необходимо установить тип водного питания.

Выделяют 5 основных типов водного питания земель, в зависимости от которых определяют и методы мелиорации и основные параметры мелиоративных систем (Брудастов, 1955).

Под методом осушения понимают направленность гидротехнических, агротехнических и других мероприятий, предназначаемых для ликвидации избыточного увлажнения корнеобитаемого слоя почвы.

Способ осушения - способ сбора и отвода избыточных поверхностных и (или) подземных вод с переувлажненных земель, он представляет собой сочетание технических средств и агротехнических приемов. Методы и способы осушения земель обобщены в "Справочнике..." (1980).

Способы осушения земель должны намечаться, исходя не только из причин избыточного увлажнения и особенностей природных условий, они также должны включать:

- своевременный сброс водоприемниками и проводящей сетью избыточных вод с мелиорируемой площади;

- ограждение мелиорируемых земель от поступления поверхностных и грунтовых вод с внешнего водосбора;

- понижение уровня грунтовых вод или поддержание влажности почвы в кор-необитаемом слое в оптимальных пределах.

При выборе методов и способов осушения сезонно- мерзлых почв Э.А. Бишоф (1981) рекомендует учитывать режим промерзания и оттаивания почвогрунтов, в связи с этим рекомендует проектировать мероприятия, предотвращающие ухудшение водно- теплового режима:

-мелкий трубчатый дренаж с глубиной закладки 0,6-0,7 м, который начинает работу в более ранние сроки, при этом сброс в него поверхностных вод исключается;

- трубчатый дренаж с глубиной заложения ниже глубины промерзания (р=10%), обеспечивающий ускорение поверхностного стока в ранневесенний период

путем устройства на нем колодцев- поглотителей и колонок- поглотителей, при условии неподтопления устьев закрытых коллекторов весенними паводковыми уровнями обеспеченностью р=90%;

- трубчатый дренаж с глубиной 0,8- 1,0 м на минеральных землях, закладываемый в зону промерзания, допускается на площадях, где отсутствует подпор закрытых коллекторов весной в паводковые периоды, обеспечивающий сброс поверхностных вод в ранневесенний период при наличии мерзлой прослойки;

- щебенчатый дренаж глубиной 0,7- 1,0 м независимо от глубины промерзания почвогрунтов и подпора весной со стороны водоприемников с доведением засыпки из щебня до подошвы пахотного слоя и шириной засыпки не менее 0,20-0,25 м.

Основным способом осушения тяжелых почв является закрытый дренаж, применение которого позволяет устранить мелкоконтурность и повысить эффективность работы высокопроизводительной техники. Специалисты ВНИИГиМа, ВНИИ-водполимера, ЛитНИИГиМа, БелНИИМиВХа и других научно- исследовательских организаций обосновали границы применения и параметры траншейного дренажа при осушении тяжелых почв. В частности установлено, что закрытые собиратели с засыпкой траншей хорошо фильтрующими материалами следует создавать только в условиях низкой водопроницаемости почвогрунтов ( Кф менее 0,05- 0,01 м/сут), а также в понижениях на почвах с Кф менее 0,1 м/сут при интенсивном поверхностном питании (Способы осушения тяжелых почв, 1989).

Конструкции закрытого дренажа зависят от технологии и материала, применяемого при его строительстве. Укладку закрытого дренажа выполняют траншейным (наиболее распространенный), узкотраншейным (наиболее прогрессивный) или бестраншейным способом (наиболее производительный). При этом используют следующие материалы: дренажные трубы (керамические, пластмассовые, пористые, безнапорные асбестоцементные, керамические канализационные, безнапорные бетонные и железобетонные, деревянные); защитно-фильтрующие материалы (рулонные и объемные); соединительные детали (тройники, заглушки, муфты, переходники и т.д.), стеллажи для укладки дрен и коллекторов в неустойчивых (слабых) грунтах (Спра