Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Ландшафтно-геоэкологическое обоснование оптимизации водопользования в орошаемом земледелии Ферганской долины

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Ландшафтно-геоэкологическое обоснование оптимизации водопользования в орошаемом земледелии Ферганской долины"

На правах рукописи

НИКАНОРОВА Александра Дмитриевна

ЛАНДШАФТНО-ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В ОРОШАЕМОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ ФЕРГАНСКОЙ ДОЛИНЫ

25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

-1 ОКТ 2015

Москва-2015

005562935

Работа выполнена на кафедре физической географии мира и геоэкологии географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат географических наук, доцент

Миланова Елена Валентиновна

Официальные оппоненты: Золотокрылин Александр Николаевич, доктор

Защита состоится «26» ноября 2015 г. в «/2» часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.13, созданного на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, 18-й этаж, аудитория 1807.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ломоносовский проспект, д.27, А8 и на сайте Интеллектуальной Системы Тематического Исследования Научно-технической информации (ИСТИНА МГУ), http://istina.msu.ru, автореферат также размещен на официальном сайте ВАК (http://www.vak.ed.gov.ru).

географических наук, профессор, Институт географии РАН, главный научный сотрудник лаборатории климатологии

Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор, Институт природообустройства имени А.Н. Костякова Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева, заведующий кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока факультета природообустройства и водопользования

Ведущая организация: Институт водных проблем РАН

Ученый секретарь диссертационного совета

Горбунова Ирина Алдаровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объект исследования Ферганская долина - межгорная депрессия между хребтами Центрального и Южного Тянь-Шаня -характеризуется существенной ограниченностью воды для орошения и перебоями ее поступления в ирригационную систему.

Распад Советского союза привел к разрушению централизованной системы управления водными ресурсами в бассейне основной водной артерии Ферганской долины - реки Сырдарья, а также к переходу работы Токтогульского водохранилища (в Кыргызстане) с ирригационного на энергетический режим, при котором график попусков воды часто не соответствует времени полива культур. Поэтому повышение эффективности ирригационной системы и уровня водообеспеченности сельскохозяйственных полей рассматриваются как важные факторы устойчивого развития региона, в котором орошаемое земледелие является одним из основных видов хозяйственной деятельности, обеспечивающим доходы и занятость большей части населения.

Целью исследования является разработка ландшафтно-геоэкологического обоснования и механизмов оптимизации водопользования для орошения сельскохозяйственных земель Ферганской долины при нестабильных условиях подачи воды в ирригационную систему.

Основные задачи:

1. Анализ особенностей функционирования системы орошения Ферганской долины и определение ее основных пространственных, технических и гидрологических параметров для формирования базы данных и составления графической модели ирригационной системы.

2. Анализ ландшафтной структуры территории Ферганской долины, составление карты современных сельскохозяйственных модификаций ландшафтов и их оценка по условиям оптимизации развития орошаемого земледелия, а также по особенностям и интенсивности проявления геоэкологических проблем (засоление, подтопление и дефляция почв).

3. Разработка методики расчетов и визуализация распределения водных ресурсов по сельскохозяйственным модификациям ландшафтов Ферганской долины с целью выявления ландшафтов, недополучающих воду при заданных условиях орошения и подверженных риску проявления геоэкологических проблем.

4. Анализ исторической и современной системы землепользования и потребностей в водных ресурсах на орошение при разных типах структуры посевов.

5. Обоснование и выбор механизмов оптимизации существующей системы водопользования в орошаемом земледелии Ферганской долины на основе сценарного подхода.

Исходные материалы. Основой работы послужили материалы, собранные во время полевых работ в Ферганской долине в 2013 г. для верификации данных по особенностям современных ландшафтов, а также для анализа базы данных Научно-информационного центра Межгосударственной Координационной Водохозяйственной Комиссии Центральной Азии (НИЦ МКВК) по состоянию водных и земельных ресурсов исследуемой территории. Также были изучены многочисленные литературные и картографические источники по изучаемому региону, включающие теоретические и прикладные работы по теме исследования. Для создания геоинформационной системы использованы мультиспектральные космические снимки Ьапс15а17, цифровая модель рельефа земли 8ЯТМ90, геоинформационные данные по водным объектам Центральной Азии.

Методология и методы исследования. Предложена методика оценки распределения водных ресурсов при различных условиях водообеспеченности с выявлением районов с разной степенью дефицита воды. Основным оцениваемым параметром служит показатель доли земель, недополучающих воду на орошение при 18 рассматриваемых сценариях использования водных ресурсов. В сценариях учитывается различная степень внедрения механизмов оптимизации водопользования, основанных на «адресности» и очередности поливов, а также

их дифференциации в зависимости от ландшафтных условий и использования «внутренних» резервов в виде регулирования спроса на воду путем изменения структуры посевов и повышения эффективности техники поливов.

Личный вклад. Проведена оценка условий и ограничений развития орошения в пределах выделенных сельскохозяйственных модификаций ландшафтных комплексов Ферганской долины. Визуализированы механизмы распределения водных ресурсов при реализации различных сценариев использования водных ресурсов. Составлено 18 прогнозных карт, соответствующих этим сценариям и показывающих распределение воды в пределах сельскохозяйственных модификаций ландшафтных комплексов Ферганской долины. Разработана классификация сельскохозяйственных модификаций ландшафтных комплексов по уровню их водообеспеченности и даны рекомендации по оптимизации водопользования и снижению геоэкологических рисков при орошении на основе сравнительного анализа расчетных прогнозных данных распределения водных ресурсов.

Научная новизна. На основе комплексного подхода, учитывающего ландшафтные особенности территории и интенсивность проявления геоэкологических проблем (засоления, подтопления) решена одна из важных проблем геоэкологии — проблема оптимизации использования водных ресурсов в орошаемом земледелии. Получены данные по потребностям в обводнении выделенных сельскохозяйственных модификаций современных ландшафтных комплексов Ферганской долины. На основе составленных прогнозных карт оценена эффективность внедрения различных механизмов оптимизации водопользования в зависимости от свойств сельскохозяйственных модификаций ландшафтов территории, водообеспеченности, водораспределения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее реалистичной стратегией оптимизации системы орошения Ферганской долины при неустойчивой трансграничной водоподаче является использование потенциала самой ирригационной инфраструктуры по

максимально дифференцированному регулированию и распределению воды на орошаемых землях для снижения ее непродуктивных потерь.

2. Для 11 видов природных ландшафтов и 16 антропогенных сельскохозяйственных модификаций изучаемой территории выявлены значительные различия в нормах орошения (до 40%) и возможностях развития дренажных систем в зависимости от глубины грунтовых вод, гранулометрического состава почв и положения в рельефе. Ландшафтная дифференциация определяет интенсивность проявления геоэкологических проблем, связанных с орошением — дефицита воды, засоления и подтопления.

3. Визуализация механизмов распределения водных ресурсов в Ферганской долине позволила показать пространственную дифференциацию дефицита воды и ее связь с геоэкологическими проблемами засоления и подтопления. На основе статистических данных по объему подаваемой в каналы воды проведена реконструкция ее распределения по 560 полигонам по всей ирригационной системе Ферганской долины до конечного потребителя.

4. Выявлено три основных типа землепользования, значительно различающихся по потребностям в воде на орошение: (1) традиционное хлопководство, (2) диверсификация землепользования в пользу зерновых и (3) садово-плантационный тип землепользования с расширением посевов озимых зерновых и овощных культур в межвегетационный период. Они отражают приоритеты развития хозяйства долины в разные исторические периоды и позволяют определить пути оптимизации структуры землепользования в целях продовольственной и водной безопасности.

5. На основе сценарного подхода и составления 18 прогнозных карт обоснованы механизмы оптимизации существующей системы водопользования: дифференциация оросительных норм по ландшафтам с обновлением системы гидромодульного районирования, увеличение КПД техники полива и изменение структуры посевов с переходом на выращивание озимых культур. Это позволит снизить потребности в водных ресурсах в 1,9 раз, а долю земель с дефицитом воды - в 2, 6 раз.

Практическая значимость и реализация результатов работ. Результаты исследования направлены на практическое решение актуальных геоэкологических проблем, возникающих под влиянием орошаемого земледелия в ландшафтах Центральной Азии и способствуют внедрению в современное комплексное изучение последствий орошения методик для оценки альтернативных сценариев использования водных ресурсов для орошения, учитывающих геоэкологические и социально-экономические факторы.

Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР «Геоэкологический анализ ландшафтов мира в условиях глобальных изменений». Материалы исследования могут быть использованы в рамках семинарских и лекционных занятий Географического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова по особенностям современных ландшафтов и рациональному использованию земельных и водных ресурсов. Созданная ГИС Ферганской долины передана в Научно-информационный центр Межгосударственной Координационной Водохозяйственной Комиссии Центральной Азии (НИЦ МКВК) (г. Ташкент) по их запросу. Результаты работ использованы для повышения точности алгоритмов прогнозной модели АБВтт («Интегрированная модель оценки влияния альтернативных сценариев развития бассейна Аральского моря»).

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы были доложены автором на XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2011); XVI Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2011); XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2012); Всероссийской молодежной научной школе «Перспективы геоэкологии после Рио+20» (г. Москва, 2012); VI Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (г. Самара, 2014). Материалы исследования изложены в 6 печатных работах, в том числе в 3 статьях в журналах из списка ВАК.

7

Структура и объемы работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 169 листах печатного текста, содержит 23 рисунка, 17 таблиц и 4 приложения на 20 страницах. Список цитируемой литературы насчитывает 141 наименование.

Благодарности. Автор выражает признательность научному руководителю к.г.н., доценту Милановой Е.В., к.г.н. Дронину Н.М., проф., д.г.н. Колбовскому Е.Ю., к.г.н., доценту Алексеевой H.H., сотрудникам кафедры физической географии мира и геоэкологии за помощь и поддержку при выполнении работы. Особую благодарность автор выражает проф. Духовному В.А., д.б.н. Стулиной Г.В. и всем сотрудникам НИЦ МКВК за сотрудничество в организации полевых исследований и осуществлении информационной поддержки работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Ферганская долина, древний оазис орошения и важный социально-экономический регион Центральной Азии, является объектом изучения многих исследователей. Широкий спектр вопросов, посвященных геополитическим, экономическим и социальным аспектам водохозяйственных проблем, представлен в трудах (Bischel, 2009), (Starr, 2011), (Данилов-Данильян, 2006), (Духовный, 2008; 2013), (Мухамеджанов, 2007; 2008), (Нерозин, 2008). Методике ландшафтного картографирования и физико-географической характеристике Ферганской долины посвящены работы исследователей (Николаев, 1999), (Глазовская, 2002), (Зонн, 1986), (Бабушкин, 1964), (Шульц, 1965), (Арифханова, 1967). Основные теоретические работы, посвященные изучению геоэкологического состояния земель Центральной Азии и улучшению мелиоративного состояния земель Центральной Азии, отражены в трудах (Шредер, 1973), (Панков, 1974), (Дунин-Барковский, 1976), (Нерозин, 1980), (Беспалов, 1992), (Стулина, 2010).

Глава 1. Система обеспечения водными ресурсами орошаемых земель верхнего течения реки Сырдарья в пределах Ферганской долины Ферганская долина относится к трем государствам: Узбекистану, Кыргызстану и Таджикистану. В Узбекистане расположена центральная

8

равнинная часть долины, в Кыргызстане — почти вся краевая восточная и южная части, в Таджикистане — южные склоны Кураминского хребта и западная территория равнинной части долины.

В XX в. для развития сельскохозяйственного комплекса Ферганской долины были разработаны проекты по обводнению территорий путем сооружения каналов и водохранилищ ирригационного назначения. В пределах ирригационного комплекса Ферганской долины были установлены средние величины ежегодных попусков воды из Токтогульского водохранилища (в среднем течении реки Нарын) в объеме 9.43 млрд куб. м, 3/4 которых должны были приходиться на вегетационный сезон (апрель-сентябрь), а Ул — на межвегетационный (октябрь-март). Работа Андижанского водохранилища (на реке Карадарья в юго-западной предгорной части Ферганской долины) подчинялась потребностям орошаемого земледелия.

Система водораспределения, очередность и оросительные нормы определялись на основе рекомендаций по режимам орошения сельскохозяйственных культур в соответствии с гидромодульным районированием территории, разработанным в 1970-х гг. Этот принцип основан на выделении таксонометрических единиц по климатическим данным и почвенно-мелиоративным характеристикам, учитывающим различную транспирационную способность культур в зависимости от глубины залегания грунтовых вод и водно-физических свойств почв. Один из примеров шкалы определения гидромодуля представлен в табл.1.

Уровень грунтов ых вод, м Гранулометрический состав почв

Песчаные Супесчаные Легкие и средние суглинистые Средние и тяжелые суглинистые Глинистые

>3 1 2 2 3 3

2-3 4 4 5 5 5

1-2 6 6 7 7 7

<1 8 8 9 9 9

Таблица 1. Шкала определения гидромодуля по уровню грунтовых вод и гранулометрическому составу почв по методике Шредера,

Приоритетными для подачи воды являются орошаемые земли с наименьшим запасом почвенной влаги при глубоком уровне залегания грунтовых вод и низкой водоудерживающей способности почв.

После распада Советского союза в 1991 г. перестала существовать централизованная система управления водно-энергетическими ресурсами Средней Азии, что привело к противоречиям в водно-энергетической политике на региональном уровне. Так, за период с 1980 по 1991 гг. по проведенным расчетам среднее соотношение попусков в вегетационный и невегетационный периоды составляло соответственно 70 и 30% (8,5 и 3,6 млрд куб. м), а за 1991—2000 гг. — 45 и 55% (6,1 и 7,5 млрд куб. м), что во многом определяет современный дефицит водных ресурсов в вегетационный период. Несмотря на стремление к диалогу между странами, пока они не смогли найти решение по использованию устойчивой схемы функционирования водораспределительной системы.

Глава 2. Ландшафтообразующие факторы и современные ландшафты Ферганской долины

Важная роль в успешном решении проблемы оптимизации водопотребления на орошаемых сельскохозяйственных землях принадлежит комплексному географическому подходу к изучению природной среды как совокупности иерархически соподчиненных геосистем - современных ландшафтов и учету их современного состояния и возникших геоэкологических проблем.

На основе морфоструктурных и литологических особенностей территории Ферганской долины выделено 7 подклассов природных ландшафтов в пределах двух классов - горного и равнинного (рис. 1). По особенностям почвенно-растительных условий в пределах подклассов ландшафтов выделено 11 видов ландшафтов. В пределах видов ландшафтов выделены антропогенные сельскохозяйственные модификации ландшафтов, обозначенные на карте цветом и в легенде числовыми и буквенными индексами, описывающими их принадлежность к подклассам, видам ландшафтов и антропогенным модификациям (рис.1, табл. 2).

Условные обозначения:

Щ Водохранилища

-Ирригационная система

-Коллекторно-дренажная сеть

| 2 | Гидромодульные районы (дифференциация ландшафтов по уровню грунтовых вод н гранулометрическому составу почв) Сельскохозяйственные модификации ландшафтов

1:2:ь V1:7.K VI 9; Н

Ш:4:Е НИ VI .8: Л н Vll:10;0

IV;5;>K Vl;8;M ддц \Л1;10:П

V;6;3

Примечание: сельскохозяйственные модификации ландшафтов обозначены в легенде числовыми и буквенными индексами (пример VI 8 М, где VI- подкласс, 8 - вид "2 ландшафта, М - антропогенная сельскохозяйственная модификация. Расшифровка индексов в легенде, табл. 2.)

Рис. 1. Фрагмент карты современных ландшафтов и ирригационных Ферганской долины. Масштаб 1:750 ООО.

Таблица 2. Фрагмент легенды к карте современных

Вид ландшафта Антропогенные сельскохозяйственные модификации ландшафтов

2 Низкогорья с пологими склонами, сложенные песчаными конгломератами, с эфемероидной растительностью {Роа bulbosa, Carex pachystilis) на типичных сероземах Б Пастбшцно-пахотные бедленды с выпасом малого рогатого скота и очагами неорошаемого земледелия, подверженные дигрессии растительного и почвенного покрова

4 Предгорные лессовые волнистые равнины, сложенные супесями, лессами и суглинками, с разнотравно-эфемероидной растительностью (Роа bulbosa, Carex pachystilis с участием астрагалов, лютиковых и злаковых) на светлых сероземах Е Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые при недостаточном развитии сети ирригационных каналов и высокими оросительными нормами на суглинистых почвах, подверженных эрозии

5 Межгорные аллювиально-пролювиальные равнины, сложенные суглинками, гравийно-галечниковыми отложениями, с эфемероидно-полынной растительностью (.Artemisia badhysi, А. diffusa, Роа bulbosa) на типичных сероземах Ж Садово-плантационные (абрикосовые, персиковые и яблоневые сады, хлопковые плантации), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на супесчаных и суглинистых почвах, подверженных эрозии

6 Плоские пролювиально-аллювиальные равнины конусов выноса, сложенные супесями, легкими суглинками и лессовыми отложениями, подстилаемыми галечниками, с эфемероидной растительностью (.Роа bulbosa, Carex pachystilis) на светлых сероземах 3 Плантационно-пахотные (с преобладанием посевов зерновых и хлопковых плантаций), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на супесчаных, суглинистых и глинистых почвах, подверженных дефляции

7 Конусы выноса, сложенные тяжелосуглинистыми и глинистыми отложениями, подстилаемыми галечником, с лугово-галофитной растительностью {Aeluropus littoralis, А. repens, Salicornia europaea) на луговых сазовых почвах К Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций и посевов зерновых), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых почвах, подверженных засолению при недостаточном дренаже

8 Древнеаллювиальные равнины третьей надпойменной террасы, сложенные тяжелыми суглинками и глинами, с злаковыми галофитными лугами (Aeluropus littoralis, A. repens, виды Elytrígiá) на луговых почвах и солончаках Л Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые при недостаточно развитой сети ирригационных каналов и относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых и глинистых почвах, подверженных дефляции и засолению

М Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых почвах, подверженных засолению и требующих интенсивной промывки при повышенном содержании легкорастворимых солей

9 Эоловая равнина третьей надпойменной террасы, сложенная песками и супесями, с эфемерово-псаммофитной растительностью (Alhagi pseudalhagi, Bromus tectorum, Salsola richterií) на песчаных почвах Н Преимущественно плантационные с преобладанием плантаций бахчевых культур, орошаемые при недостаточно развитой сети ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на песчаных и супесчаных почвах, подверженных дефляции и засолению

10 Аллювиальные равнины молодых надпойменных террас, сложенные тяжелыми суглинками и глинами, со злаково-тростниковой растительностью (Phragmites australis, Calamagrostis epigeios, Elytñgia repens) на луговых, болотно-луговых и болотных аллювиальных почвах О Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций и посевов кормовых культур) на аллювиальной равнине второй надпойменной террасы, орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокими нормами орошения на суглинистых и глинистых почвах, подверженные подтоплению

п Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций наличием рисовых чеков) на аллювиальной равнине первой надпойменной террасы в лиманных понижениях и речных старицах, орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно низкими оросительными нормами на аллювиальных суглинистых и глинистых почвах

Для антропогенных модификаций ландшафтов определены характерные геоэкологические проблемы и ограничения развития орошаемого земледелия; интенсивность проявления процессов вторичного засоления и риски развития процессов подтопления при современных условиях водопользования; рассчитаны оптимальные оросительные нормы для наиболее распространенной культуры региона - хлопчатника.

Глава 3. Методика построения ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины» и анализ

полученных данных 3.1. Выявление факторов и условий возникновения дефицита воды на орошаемых землях в Ферганской долине.

Для оценки перспектив оптимизации водопользования при орошении

выявлены факторы возникновения дефицита воды на орошаемых землях в

Ферганской долине (первая слева колонка, рис. 2). Для каждого фактора

определены условия его проявления (вторая колонка слева, рис. 2), описанные

12

ниже. Данные факторы и условия учитывались при визуализации механизма распределения водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины, составлении сценариев водопользования и прогнозных карт, показывающих географию орошаемых земель с дефицитом воды (рис. 2).

Рис.2 Блок-схема разработки сценариев использования водных ресурсов в орошаемом земледелии в

Ферганской долине.

Уровень трансграничной обеспеченности. Определено, что доля попусков Токтогульского и Андижанского водохранилищ составляет 55 % в приточной части водного баланса бассейна реки Сырдарья в пределах Ферганской долины. Режим работы и объем попусков этих водохранилищ обуславливают разные уровни водообеспеченности ирригационной системы региона (рис. 3):

1) Благоприятные условия водообеспеченности (рис.2, В1) при работе Токтогульского и Андижанского водохранилищ в ирригационном режиме (на примере вегетационного периода 1990 г.);

2) Условно благоприятные условия (рис.2, В2) при работе Токтогульского водохранилища в энергетическом режиме и компенсирующих попусках Андижанского водохранилища (на примере 1998 г.);

3) Неблагоприятные условия водообеспеченности (рис.2, ВЗ) при осуществлении минимальных попусков из обоих водохранилищ в условиях многолетнего затяжного маловодья (на примере 1987 г.).

Факторы:

Уровень трансграничной водообеспеченности

Последовательность поступления воды на орошаемые поля и оросительные нормы

КПД техники полива

Структура посевов

В1: благоприятные условия ¿П^ 82: условно благоприятные условия ВЗ: неблагоприятные условия

П1: отсутствие практики ГМР, применение осредненных оросительных норм П2:внедрение ГМР, дифференциация оросительных норм

К1: КПД техники полива= 65 % К2: КПД техники полива=80%

С1: структура монокультурных г хлопчатника

С2: диверсифицированная структура посевов

СЗ: садово-плантационная структура с расширением посевов с межвегетационный период

гис

1—^ «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины»

е=>

О

Сценарии: Bi-trmxi+ci ВЗ+П1+К1+С1 В1+П1+К1+С2

вз+m+Ki+o

В1+П1+К1+СЗ ВЗ+П1+К1+СЗ В1+П2+К1+С1 ВЗ+П2+К1+С1 В1+П2+К1+С2 B3+Í12+K1+C2 В1+П2+К1+СЗ ВЗ+П2+К1+СЗ 81+П2+К2+С1 ВЗ+П2+К2+С1 В1+П2+К2+С2 ВЗ+П2+К2+С2 В1+П2+К2+СЗ ВЗ+П2+К2+СЗ

Рис.3. Величины попусков воды (млн куб. м) из Токтогульского Н и Андижанского водохранилищ в вегетационный период при рассматриваемых условиях

водообеспеченности.

Последовательность поступления воды на орошаемые поля и оросительные нормы. Согласно общепринятой практике распределение водных ресурсов основывается на принципах гидромодульного районирования. Однако, при современном состоянии водохозяйственной системы и общем низком уровне культуры землепользования в Ферганской долине реализация эффективного водораспределения осуществляется не в полном объеме. При периодических изменениях почвенно-мелиоративных условий возникает проблема несоответствия установленного режима орошения действительной потребности культур. Это приводит к подтоплению и засолению почв , например, на конусах выноса в условиях ненадлежащего функционирования коллекторно-дренажной сети .

В работе рассмотрены два варианта распределения водных ресурсов и назначения оросительных норм: без соблюдения принципов гидромодульного районирования и применения усредненных оросительных норм (рис.2, П1); при соблюдении очередности полива согласно гидромодульному районированию и дифференциации оросительных норм в зависимости от глубины залегания грунтовых вод, гранулометрического состава почв и выращиваемых культур (рис. 2, П2).

В исследовании использованы значения оросительных норм за вегетационный период (апрель-сентябрь) для каждой из культур, рассчитанных по программе ФАО КЕС\¥АТ для 9-ти гидромодульных районов Ферганской долины. Например, для хлопчатника оросительные нормы для ГМР1 составляют 6400 куб. м/га, для ГМР7 - 3500 куб. м/га, для садово-плантационных культур 5000 и 2200 куб. м/га соответственно.

Благоприятные Условно Неблагоприятные благоприятные

КПД техники полива. Учитывая отсутствие источников финансирования реконструкции магистральных каналов и коллекторно-дренажной сети, необходимо принятие мер, направленных на рационализацию водопользования на уровне хозяйств. Одной из мер является оптимизация техники полива на полях.

Наиболее распространенная техника поливов в Ферганской долине — полив по бороздам. Для повышения эффективности использования воды при бороздковом поливе важен выбор технологической схемы полива, соответствующей почвенно-мелиоративным условиям и рельефу местности. В зависимости от этих показателей определяется схема полива, учитывающая длину, местоположение и количество продольных борозд (ок-арыков в узбекской терминологии) и поперечных борозд (шох-арыков). Усредненный КПД техники орошения оценивается в размере 65%. Около 20% поданной воды на поле «теряется» в результате инфильтрации, 15 % — идет на сброс. В работе рассмотрено два условия эффективности работы ирригационной системы: при КПД техники полива 65 % (рис. 2, К1) и 80 % (рис. 2, К2). По мнению экспертов, КПД техники полива 80 % представляется реалистичной целью достижения в условиях Ферганской долины.

Структура посевов. В рамках исследования определены три наиболее репрезентативные структуры посевов, характеризующие динамику изменения соотношений площадей выращиваемых сельскохозяйственных культур в Ферганской долине за последние 30 лет, и рассчитаны объемы водопотребления по средневзвешенным оросительным нормам (куб. м/га), отражающим изменения в объемах спроса на воду:

1) Структура монокультурных посевов хлопчатника (рис.2, С1): объемы водопотребления, характерные для такой системы севооборота, рассчитаны на основе данных 1985 г., когда расходы воды на полив достигли своего максимума при бурном развитии производства хлопчатника.

2) Диверсифицированная структура посевов в пользу зерновых (рис.2,

С2): расчет объема водопотребления основывается на данных 2000 г., когда была

15

достигнута наиболее оптимальная структура посевов для уменьшения расходов воды на полив на 1/3 за 1985-2000 гг.

3) Садово-плантационная альтернативная структура посевов с расширением полей озимых в межвегетационный период (рис.2, СЗ), которая позволяет снизить объемы водопотребления до уровня, соответствующего лимитам доступных водных ресурсов за счет развития орошения в межвегетационный период, вывода доли земель из севооборота в вегетационный период и приоритетного развития садоводства.

Комбинации описанных выше факторов и условий возникновения дефицита воды для орошаемого земледелия дают возможность сформировать 18 сценариев использования водных ресурсов в Ферганской долине (рис. 2). В качестве примера приводится сценарий, показанный буквенными индексами «ВЗ+П1+К1+С2», описывающий современную ситуацию водопользования («бизнес как обычно») в условиях неблагоприятного трансграничного водообеспечения (ВЗ), отсутствия гидромодульного районирования и связанных с ним оросительных норм (П1), КПД техники полива 65% (К1), диверсифицированной структуры посевов (С2).

3.2. Формирование ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины». Оценка величины водного дефицита для каждого сценария проводилась с помощью разработанной ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины». В основу ГИС были положены данные о землепользовании и о пространственном положении водных объектов региона, полученные в результате дешифрования аэрокосмических снимков ЬапёБа17.

Для каждого магистрального канала была выявлена орошаемая территория, каждый полигон которой обозначен цифровым индексом, показывающим приоритетность подачи воды на орошаемые поля. Ранжирование полей по их принадлежности к каналам производилось на основе работ проекта «Интегрированное управление водными ресурсами в Ферганской долине» (НИЦ

16

МКВК), при недостаточной информации - в соответствии с особенностями рельефа территории.

Для определения приоритетности подачи воды на поля Ферганской долины рассмотрены два возможных варианта:

1) при подаче воды «сверху-вниз» по магистральному каналу: наименьший цифровой индекс присвоен полигонам у изголовья каналов, а наибольший -наиболее отдаленным от него в нижней части канала (рис. 4а);

2) при распределении воды в соответствии с методикой гидромодульного районирования и режима орошения сельскохозяйственных культур (рис. 46): в геоинформационную систему была введена атрибутивная информация для каждого из 561 выделенных полигонов орошаемых полей Ферганской долины о гранулометрическом составе почв и уровне грунтовых вод. Каждому полигону был присвоен гидромодульный номер (рис. 1), в соответствии с которым присваивается индекс очередности полива.

При определении очередности подачи воды на поля с одинаковым гидромодульным номером во внимание принимались также такие факторы, как расположение относительно магистрального канала и наличие подводящих к полю полигона каналов (арыков).

Рис. 4а,б. Очередность поливов.

Примечание: цифрами «Ь> обозначены индексы, указывающие на очередность поливов, цифрами «/» - номера гидромодульных районов.

Рис. 4а- очередность подачи воды на орошаемые поля (с 1 по 14 полигон) при отсутствии гидромодульного районирования; рис. 46 - очередность подачи воды на поля при соблюдении принципа гидромодульного районирования; на рисунке справа более мелкими цифрами обозначены номера гидромодульных районов.

Для дальнейших работ имеющаяся информация была экспортирована в Excel, где проводились расчеты показателей водопользования при рассматриваемых сценариях (табл. 3). При расчетах учитывались различные параметры работы ирригационной системы, включающие: эффективность оросительной системы; водозабор на неирригационные нужды, потери воды при ее транспортировке (КПД магистральных каналов) и повторное использование коллекторно-дренажных вод.

По оценкам специалистов эффективность оросительной системы Ферганской долины составляет порядка 50-65%. Коэффициент водозабора на неирригационные нужды рассчитан на основе статистических данных по водозабору в Ферганской долине за 1980-2000 гг. и равен 6% от общего водозабора. КПД магистральных каналов в среднем составляет 65%. Коэффициент использования коллекторно-дренажных вод зависит от водообеспеченности, варьируя от 2-5% до 10% (в засушливые годы) от общего водозабора.

Таблица 3

Сравнительный анализ показателей системы водопользования при ___рассматриваемых сценариях

Показатели (см. примечания) Структура посевов При благоприятных условиях водообеспеченности (В 1) При неблагоприятных условиях водообеспеченности (ВЗ)

П1+К1 П2+К 1 П2+К2 П1+К 1 П2+К1 П2+К2

1 При монокультурных посевах хлопчатника (С 1) 12711 11 953 10 625 12 711 11 953 10 625

2 11 536 10 879 9 845 10 906 10 248 9 294

3 11,5 10,9 9,9 16,5 16,6 15,3

1 При диверсификации посевов (С2) 12 711 10 888 9 679 12711 10 888 9 679

2 11 536 10 001 9014 10 906 9 451 8 585

3 11,5 10,0 7,8 16,5 15,5 13,4

1 При садово-плантационной с расширением полей озимых (СЗ) 9417 7 496 6 663 9417 8 329 6 663

2 9 123 7 305 6 530 8 586 7 053 6371

3 4,7 3,8 3,2 10,9 8,6 6,4

Примечание:

/ - величина объема воды (млн куб. м), необходимая для обеспечения водными ресурсами выращиваемых культур;

2 - величина объема воды (млн куб. м), поданного на поля для обеспечения выращиваемых культур в водных ресурсах;

3 - доля (%) сельскохозяйственных земель, недополучающих воду на орошение; буквенные индексы см. на рис. 2.

Глава 4. Оценка перспектив повышения эффективности системы распределения и использования водных ресурсов Ферганской долины

Для выявления районов с недостаточной водообеспеченностью для каждого сценария были разработаны прогнозные карты распределения водных ресурсов при орошении. На рис. 5,6 показаны прогнозные карты к двум наиболее контрастным сценариям:

«ВЗ+П1+К1+С1»: при неблагоприятных условиях водообеспеченности (ВЗ), отсутствии практики гидромодульного районирования, осредненных оросительных нормах (П1), КПД техники полива 65% (К1) и структуре монокультурных посевов хлопчатника (С1);

«В1+П2+К2+СЗ»: при благоприятных условиях водообеспеченности (В1), соблюдении практики гидромодульного районирования, дифференциации оросительных норм (П2), КПД техники полива 80% (К2) и садово-плантационной альтернативной структуре с расширением посевов озимых в межвегетационный период (СЗ).

Рис. 5 Сценарий «ВЗ+П1+К1+С1», буквенные индексы - см. рис. 2

Условные обозначения к рис. 5,6:

_ с/х земли, с дефицитом воды; I_I с/х земли без дефицита; НН селитебная зона;

неиспользуемые земли; Щ водохранилища; -реки и каналы;

1 » государственные границы; ареалы засоления.

При наименее благоприятном сценарии «ВЗ+П1+К1+С1» (рис. 2), 16 % орошаемых полей недополучат воду на орошение (рис. 5). Структура посевов с

преобладанием хлопчатника обуславливает необходимость в водных ресурсах в объеме 12 711 млн куб. м в вегетационный период (табл. 3), что превышает лимиты водоотвода для орошения. Распределение водных ресурсов без учета дифференциации ландшафтов по водопотребности, завышение оросительных норм приводят к серьезным геоэкологическим последствиям засоления и подтопления. Крупнейшие очаги среднего и сильного засоления проявляются в пределах двух крупных ирригационных магистралей: Большого Андижанского и Большого Ферганского каналов. На рис.5 показано, что ареалы сильного засоления совпадают с зоной дефицита воды. Однако в пределах ландшафтов древнеаллювиальных равнин и конусов выноса ареал засоления существенно превышает площади земель, недополучающих водные ресурсы (рис. 5). Здесь засоление развивается на орошаемыех землях с преобладанием суглинистых и глинистых почв и залеганием грунтовых вод на уровне 1-2 м (7 гидромодульный район) в условиях ненадлежащего функционирования коллекторно-дренажной сети.

При наиболее благоприятном сценарии «В1+П2+К2+СЗ» (рис. 6) доля земель, недополучающих воду на орошение, составит 3% в благоприятный по водообеспеченности год.

Рис. 6 Сценарий «В1+П2+К2+СЗ», буквенные индексы - см. рис. 2, условные

-I и " ' ••-Ц'ЗМ обозначения - см. . Рис 5

Потребности в воде снижаются на 48 % (6530 млн куб. м, табл. 2) по сравнению с первым сценарием, за счет того, что значительная часть угодий (30%) будет орошаться в зимний период, а преобладание садовых плантаций

обусловит снижение расходов воды на гектар летом.

20

В зависимости от величины доли земель, недополучающих воду на орошение при неблагоприятном сценарии, для всех видов ландшафтов и их сельскохозяйственных модификаций оценена степень проявления дефицита водных ресурсов на орошение при наименее благоприятном сценарии использования водных ресурсов (рис.7), показанная на карте штриховкой: невысокая (<10%), умеренная (10-20%), повышенная (20-30%), высокая (30-40%) и очень высокая (>40%).

Рис. 7. Прогнозная карта степени проявления дефицита водных ресурсов на орошение при наименее благоприятном сценарии использования водных ресурсов (ВЗ+П1+К1+С1), рис. 2. Примечание: сельскохозяйственные модификации ландшафтов обозначены на карте и в легенде

Очень высокий дефицит водных ресурсов (>40%) проявляется в плантационных и пахотных модификациях ландшафтов в пределах центральной части Ферганской долины (VI 8 Л и VI 9 Н, рис. 7), где в зоне пустынь и полупустынь сеть ирригационных каналов не развита и отсутствуют естественные водотоки. К территориям с высоким дефицитом водных ресурсов (30-40%) относятся орошаемые земли на предгорных пролювиальных равнинах южных аридных склонов Кураминского хребта (III 3 В, рис. 7). Повышенный

дефицит (20-30%) характерен для садово-плантационных земель межгорных равнин (IV 5 Ж, рис. 7) Алайского и Ферганского хребта.

К категории умеренного проявления дефицита водных ресурсов (10-20%) относится группа плантационно-пахотных модификаций в пределах обводненных территорий с достаточно развитой сетью ирригационных каналов на равнинах конусов выноса (V 6 3, V 7 И, рис. 7), а также в пределах древнеаллювиальных и аллювиальных равнин речного комплекса (VI 8 М, VII10 П, VII11 Р, рис. 7).

Орошаемые садовые и плантационные сельскохозяйственные модификации на предгорных равнинах юга Ферганской долины (III 3 Г, III 4 Д, рис. 7), плантационно-пахотные на конусах выноса (V 7 К, рис. 7) и аллювиальных равнинах (VII 10 О, рис. 7) относятся к категории невысокого проявления дефицита водных ресурсов (<10%). Эти территории обводнены развитой ирригационной сетью каналов, отводящих воду из полноводных рек снегового и ледникового типа питания, стекающих с Ферганского и Алайского горных хребтов.

Результаты и выводы

1. Как показал анализ и графическая модель функционирования системы орошения Ферганской долины, ее адаптационный потенциал определяется возможностями к дифференцированному распределению воды по орошаемым землям и гибкому регулированию объёмов подаваемой воды для снижения ее непродуктивных потерь при неустойчивой трансграничной водоподаче.

2. Несмотря на нивелирование природных условий увлажнения в результате длительной истории развития орошаемого земледелия, современные ландшафты Ферганской долины значительно различаются по условиям орошения что обуславливает географию дефицита водных ресурсов, особенности и интенсивность проявления засоления и подтопления. Оценка современных условий развития орошаемого земледелия с привлечением ГИС позволила выявить, что ландшафтные комплексы с высоким риском засоления и

подтопления занимают соответственно 20 % (276, 3 тыс. га) и более 50 % (704, 8 тыс. га) территории Ферганской долины.

Определено, что крупные ареалы засоления приурочены к территориям ландшафтов третьей надпойменной террасы в зоне функционирования Большого Андижанского канала. Подтопление характерно для ландшафтов Исфарамсайского, Алтарыкского и Сохского конусов выноса в зоне функционирования Большого Ферганского канала при неглубоком залегании грунтовых вод и низкой эффективности работы коллекторно-дренажных систем.

3. Результаты моделирования распределения водных ресурсов при орошении Ферганской долины показали, что в современных условиях неустойчивой трансграничной водоподачи исследуемая территория характеризуется хронической нехваткой воды для орошения, особенно остро проявляющейся в пределах ландшафтов древнеаллювиальных равнин третьей надпойменной террасы: более 50 % из 90,7 тыс. га испытывают нехватку воды на орошение при современной практике водопользования.

4. Современная структура посевов, несмотря на ее диверсификацию в пользу продовольственных культур, нуждается в значительных водных ресурсах в размере 12,7 куб. км. Переход на садово-плантационную структуру с долей зерновых озимых не менее 30% приведет к оптимизации водопользования и снижению потребности в воде в вегетационный период на 26 % (3,3 куб. км). Диверсификацию культур в пользу озимых следует в первую очередь проводить на необводненных древнеаллювиальных равнинах третьей надпойменной террасы и предгорных пролювиальных равнинах, находящихся в орографической тени.

5. Наиболее приемлемым сценарием оптимизации использования водных ресурсов в современных условиях орошаемого земледелия в Ферганской долине из разработанных 18 прогнозных сценариев является сценарий «ВЗ+П2+К2+СЗ», предусматривающий на основе обновления гидромодульного районирования дифференциацию оросительных норм по ландшафтам, повышение КПД техники полива до 80%, оптимизацию структуры посевов с переходом на выращивание

23

озимых культур. Это позволит снизить долю земель с дефицитом воды с 16,6 до 6,4 % в неблагоприятный год, а потребности в водных ресурсах с 12 711 до 6 663 млн. куб. м.

Основные работы по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Никанорова А.Д. Сравнительная оценка механизмов повышения эффективности системы управления и использования водных ресурсов Ферганской долины / А.Д. Никанорова // Проблемы региональной экологии. -2014,-№4.-С. 116-121.

2. Никанорова А.Д. Применение сценарного подхода для оценки устойчивости системы водопользования в Ферганской долине / Никанорова А.Д. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2014,-Том 16, №1(4).-С. 992-998.

3. Никанорова А.Д., Дронин Н.М. Оценка водного дефицита на орошаемых землях в Ферганской долине в связи с изменением режима работы Токтогульского водохранилища / Никанорова А.Д., Дронин Н.М. // Вестник Московского университета. Серия 5: География. - 2013. - №4. - С.76-81.

Статьи в других журналах, сборниках и материалах конференций:

4. Никанорова А.Д. Анализ распределения водных ресурсов на орошаемых землях Ферганской долины // Материалы Всероссийской молодежной научной школы 12-14 сентября 2012 г. «Перспективы геоэкологии после Рио +20». - М.: «Издательство Московского университета» - 2012. - С.79-84.

5. Никанорова А.Д. Оценка рациональности структуры землепользования в Ферганской долине по величине водного дефицита на орошаемых землях. // Всероссийский журнал научных публикаций. - 2012. - №1 (11) - С.18-21.

6. Никанорова А.Д. Оценка рациональности структуры землепользования в Ферганской долине по величине водного дефицита на орошаемых землях // Материалы XVI международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий». — Новосибирск: Новосибирский государственный университет. — 2011. — С.326.

Подписано в печать 22.09.2015 г. Формат 60x90/16. Объем 1 п.л. Тираж 130 экз. Заказ № 841.

Отпечатано в ООО «Издательство «Граница» 123007 Москва, Хорошевское шоссе, 38 Тел.: +7 495 941-26-66, 941-27-49.

Факс:+7 495 941-36-46. E-mail: granica_publish@mail.ru http://granicagroup.ru