Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование режима орошения стоками животноводческих комплексов, минимизирующего загрязнение подземных вод

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Евграфов, Алексей Владимирович, Москва

^ I ' 7 о:

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ • ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

Евграфов Алексей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА ОРОШЕНИЯ СТОКАМИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, МИНИМИЗИРУЮЩЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Специальность 06.01.02. — сельскохозяйственная мелиорация

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Голованов А. И.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. УТИЛИЗАЦИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

1.1 .Общие положения..................................................................................8

1.2 .Виды стоков их классификация и свойства.......................................11

1.3 .Некоторые экологические аспекты утилизации сточных вод животноводческих комплексов...............................................................................21

1.4 .Технология применения и внесения стоков..........................................25

1.5 .Технология подготовки животноводческих стоков..............................32

Глава 2 .МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОГО ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ И АЗОТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПОЧВЕ И ПОДСТИЛАЮЩИХ ГРУНТАХ...................................................................................................40

2.1 .Формы содержания и превращения азота в почвах........................40

2.2 .Цели и задачи создания математической модели, требования к ней..............................................................................................................43

2.3 .Модель передвижения влаги в почве................................................44

2.3.1 .Начальные и граничные условия для модели влагоперено-

са................................................................................................................52

2.4 .Модель передвижения азотных соединений.....................................58

2.4.1 Константы нитрификации и денитрификации..............................62

2.4.2 .Отбор азотных соединений корнями растений.............................64

2.4.3 .Граничные условия............................................................................66

2.5 .Модель продуктивности растений......................................................68

Глава 3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ АЗОТА В ПОЧВЕ....................................................70

3.1 .Характеристика объекта.......................................................................70

3.2 .Методы определения содержания ионов №Г4 и Ж)"з в почве... 72 3.3. Сравнение результатов исследований с расчётными данными......73

Глава 4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОГНОЗОВ.......................................78

4.1.Почвенно-географические условия исследуемых областей..............77

4.2.Культуры выращиваемые, при утилизации сточных вод животноводческих комплексов.................................................................................93

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОГНОЗОВ.................................................................96

5.¡.Общая реализация модели.....................................................................96

5.2. Расчёт водного режима...........................................................................97

5.3. Определение безопасных концентраций азотных соединений в сточных водах животноводческих комплексов.......................................................104

5.4.Трансформации азотных соединений в почве..................................111

5.5.Распределение азотных соединений в геохимических барьерах.... 117

5.6.Динамика поступления нитратных соединений в

грунтовые воды......................................................................................... 127

5.7.Расчёт утилизационной способности ИПУ в зависимости от природно-климатических условий..................................................................134

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...........................137

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние десятилетия доперестроечного периода рост производства мяса и молока и перевод животноводческих комплексов на бесподстилочное содержание животных привел к значительному увеличению объёмов сточных вод в сельском хозяйстве, следовательно, значительно увеличилась нагрузка на окружающею среду, остро встала проблема очистки или утилизации стоков.

Сточные воды содержат в себе различные вещества, которые могут быть использованы для выращивания сельскохозяйственной продукции. Наиболее ценными в этом плане являются сточные воды животноводческих комплексов, поскольку они содержат в больших количествах питательные вещества, необходимые для роста и развития растений. Из веществ, содержащихся в животноводческих стоках после их подготовки, наиболее подвижными и опасными, с экологической точки зрения, являются соединения азота: нитраты N03 и аммонийный азот КН4.

Наиболее эффективным и экономически целесообразным признаётся способ утилизации сточных вод животноводческих комплексов на ирригационных полях утилизации с выращиванием сельскохозяйственной продукции. Растительность, почвенный покров и подстилающие его грунты ирригационных полей утилизации выступают как геохимические барьеры по пути движения веществ, содержащихся в сточных водах. Для повышения эффективности работы геохимических барьеров необходимо создание оптимальных водного, воздушного и питательного режимов земель, орошаемых сточными водами.

При утилизации сточных вод на ирригационных полях необходимо также осуществлять контроль за количеством поступающих веществ, перераспределением их между геохимическими барьерами для предотвращения

загрязнения грунтовых вод азотными и другими соединениями с целью недопущения ухудшения экологической обстановки. Таким образом, исследования совместного передвижения влаги и веществ в почве и подстилающих грунтах и модель продуктивности растений с учётом стохастических свойств погодных условий, позволят разрабатывать на основе долгосрочных прогнозов оптимальные сценарии утилизации сточных вод животноводческих комплексов, исключающие или минимизирующие загрязнение почв, подстилающих грунтов и подземных вод.

Следует отметить, что во многих работах, посвященных утилизации и очистке сточных вод животноводческих комплексов данная проблема рассматривалась по схеме: технология подготовки —» внесение -> получение урожая. Экологической стороне вопроса внимания уделялось мало, хотя даже при подсчёте нормы внесения заложен коэффициент использования азота травами 0.7 и фактически 30 % остаются неиспользованными и могут являться причиной загрязнения почвы, подстилающих грунтов и грунтовых вод.

Цели и задачи работы : Совершенствование математических методов оценки влияния сточных вод животноводческих комплексов на изменение азотного режима почв, грунтов и грунтовых вод при их утилизации на полях орошения с точки зрения теории геохимических барьеров и разработка на данной основе оптимальных сценариев утилизации сточных вод животноводческих комплексов, расположенных в разных природных зонах Российской Федерации.

Основные задачи исследований:

- определить механизмы перераспределения азотных соединений в геохимических барьерах и их трансформации;

- разработать математические модели совместного передвижения влаги и азотных соединений в почве, грунтах и отбора их растениями с позиции геохимических барьеров;

- выполнить проверку адекватности модели экспериментальным данным;

- реализовать математические модели в виде программы для ЭВМ;

- выполнить долгосрочные прогнозы экологической ситуации при многолетнем функционировании ирригационных полей утилизации сточных вод животноводческих комплексов и разработать оптимальные стратегии утилизации в разных природных зонах РФ.

Методика исследований. В основу исследований положены решения дифференциальных уравнений передвижения влаги и азотных соединений в почве с учётом нитрификации и денитрификации, поглощения азота почвой и растениями, конвективной диффузии. При разработке моделей использованы результаты исследований российских и зарубежных авторов в данной области. Оптимальные сценарии утилизации стоков устанавливались методом долгосрочного прогнозирования с учётом естественной стохастики погодных условий.

Научная новизна работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований уточнены модели совместного передвижения азотных соединений и влаги в почвах и грунтах с позиции теории геохимических барьеров, в которых достаточно полно учтены специфические особенности их трансформации, механизмы поступления и расходования в зависимости от климатических и гидрогеологических условий. Решена задача долгосрочного прогноза водного и азотного режимов земель при орошении сточными водами.

Практическая значимость работы. С использованием разработанных методик прогноза установлены экологически допустимые нормы внесения

азотных соединений на ирригационных полях утилизации сточных вод животноводческих комплексов, при которых не происходит загрязнения нитратными и аммонийными соединениями почвы, подстилающих грунтов и грунтовых вод, в результате чего достигается экологически безопасное функционирование полей утилизации.

Реализация работы. Результаты работы переданы для использования в НПО " Прогресс " и используются для обучения студентов старших курсов в Московском государственном университете природообустройства на кафедре мелиорации и рекультивации земель.

Апробация и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГУП в 1996 - 1998 гг., а также работа демонстрировалась на выставке МЧС в 1996 году, по теме диссертации опубликована статья.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста и включает в себя 7 рисунков, 55 таблиц, 33 графика. Список литературы содержит 168 наименования отечественных и зарубежных авторов.

Глава 1. утилизация и рациональное использование сточных вод животноводческих комплексов в сельском хозяйстве.

1.1. Общие положения.

В настоящее время природа является как средой обитания человека, так и приёмником всевозможных отходов, образующихся в процессе его деятельности, то есть подвергается активному загрязнению.

Под загрязнением среды подразумевается поступление в окружающею среду продуктов техногенеза, оказывающие вредное воздействие на человека и другие живые организмы, биологические компоненты, и обуславливающие негативные токсико-экологические последствия [ 24, 31, 77 ]. Часть загрязняющих веществ нейтрализуется средой, а часть перераспределяется между компонентами природы. Проблема защиты природы от загрязнения может быть эффективно решена на основе геосистемного (ландшафтного ) подхода.

Под геосистемой понимают пространственно-временной комплекс географических компонентов, взаимообусловленных в своём размещении и развивающихся как единое целое [ 77 ]. Геосистемы обладают определенной устойчивой структурой, организацией, динамикой, иными словами они обладают способностью обратимо изменяться во времени без перестройки структуры если воздействия не превышают пороговых уровней, а также развитием, то есть эволюционными необратимыми изменениями, в результате которых образуются новые геосистемы.

В результате деятельности человека возник совершенно новый вид геосистем — природно-антропогенный, который существует в тесном взаимодействии природы и техники.

Иерархия геосистем представлена на региональном уровне: ландшафт-

ными зонами, странами, областями, провинциями и округами, ландшафтами, а на локальном : местностями, урочищами и фациями.

Ландшафт определяется как большая и сложная неравновесная динамическая система, в которой осуществляется взаимодействие и взаимопроникновение элементов литосферы, гидросферы и атмосферы. Большинство ландшафтов являются биокосными системами, в которых неорганическая материя и живые организмы проникают друг в друга. Ландшафт выполняет несколько социально-экономических функций, то есть на нем располагаются земли разного назначения. Сейчас стоит задача создания культурных ландшафтов, что предполагает рациональное использование, а также его охрану их от загрязнения.

Структурной составляющей ландшафта являются элементарные ландшафты, которые объединяет миграция элементов. Миграция делится на: механическую, физико-химическую, биогенную, коллоидную, миграцию газов. Существует так же техногенная миграция, которая связанна с деятельностью человека.

Интенсивность миграции иногда резко уменьшается на коротком расстоянии, что приводит к значительной концентрации мигрирующих элементов. Такие участки называются геохимическими барьерами [ 117 ]. Выделяют два основных типа барьеров — природные и техногенные. В свою очередь данные типы разделяются на классы по видам преобладающей в каждом конкретном случае миграции. В качестве геохимических барьеров можно привести растительный, почвенный покров и подстилающие грунты, которые в определенных случаях, например при утилизации сточных вод на сельскохозяйственных полях, являются главными.

Самым действенным барьером на пути миграции азотных соединений является растительный покров, так как многолетние растения способны усваивать большое количество азота (в частности нитратов ): многолетние

травы могут усвоить от 200 до 600 кг чистого азота на одном гектаре посевов в год в зависимости от климатической зоны. При передозировке азота качество урожая может быть неудовлетворительным, тогда скошенные травы можно использовать на приготовление компостов для удобрения других полей. Выращивание культур, используемых непосредственно в пищу, при утилизации сточных вод не рекомендуется во избежания угрозы здоровья человека.

Следующим геохимическим барьером для азота является почвенный покров. Почва, являясь, по определению В. В. Докучаева, наружной оболочкой суши, одной из первых подвергается загрязнению и аккумулируется в себе большой объем поступающих веществ. Почва, как активно действующие органоминеральное тело, способна значительно трансформировать загрязняющие вещества вплоть до их разрушения.

Подстилающий почву слой слабоводонасыщенных грунтов выступает в качестве барьера для азотных соединений : для аммония — как сорбци-онный барьер, а для нитратов — как гидрофизический барьер, замедляющий вертикальные потоки влаги.

При определённых гидрогеологических условиях может иметь место латеральный барьер, если поток грунтовых вод разгружается по своему пути в виде восходящих потоков влаги, подпитывающих почвенный слой на прилегающей пониженной местности. Эта ситуация реализуется в месте примыкания супераквальных фаций к элювиальным ( возвышенным ).

Для описания загрязнения необходимо учитывать различные механизмы поступления загрязняющих веществ: с атмосферными осадками, поливной водой, при обработке химикатами и другие.

Гидрохимические компоненты являются наиболее подвижными и информативными показателями процессов обмена веществ, они составляют основную массу мигрирующих элементов в геосистемах.

Утилизация сточных вод животноводческих комплексов, которые по данным [ 125 ] в 1 м3 содержат 0,8 — 1,4 кг азота, 0,3 —0,7 кг фосфора, 0,4—1,2 кг калия, причём 50 — 70% азота находится в легкодоступной для растений форме и хорошо усваивается ими, создаёт мощную предпосылку для загрязнения окружающей среды. Минеральная часть азота в стоках содержится в основном в виде аммония, нитратов по сравнению с ним мало, но в процессе нитрификации аммоний трансформируется в нитраты, которые обладают большой подвижностью и несорбируются почвой. Азот белковых нерастворимых соединений используется растениями постепенно по мере их минерализации. Фосфор представлен в виде органических соединений, поэтому в почве он также постепенно высвобождается в процессе минерализации и используется растениями. Калий в стоках находится в растворённом виде и доступен для растений. В почве он закрепляется в результате адсорбции и хорошо сохраняется при её высокой поглотительной способности.

Для предотвращения загрязнений одной из необходимых мер является осуществление мониторинга за состоянием окружающей среды. Эта мера повышает экологическую безопасность функционирования объектов сельскохозяйственного, назначения и позволяет своевременно и правильно предотвращать или минимизировать загрязнения с одной стороны, а с другой разрабатывать оптимальные стратегии утилизации отходов.

1.2 . Виды стоков их классификация и свойства.

В работе будут в основном рассмотрены вопросы, связанные с проблемой утилизации сточных вод животноводческих комплексов и их влиянием на окружающую среду, так как они являются наиболее интенсивными

загрязнителями по сравнению к другим стокам и обладают высокой удобрительной ценностью, тем самым представляя наибольший интерес для сельского хозяйства.

Сточные воды обычно делятся на:

- хозяственно-бытовые;

- промышленные;

- животноводческие;

Под хозяйственно-бытовыми сточными водами понимаются стоки, поступающие из городской и п�