Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование способов регулирования эрозии почв при орошении дождеванием в предгорной зоне Северо-Кавказского региона

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Флоринский, Олег Святославович, Новочеркасск

Министерство сельского хозяйства и ур м продовольствия Российской федерации / е !

новочеркасская государственная мелиоративная академия

На правах рукописи УДК 631.6.02-502.7

Флоринский Олег Святославович

Совершенствование способов регулирования эрозии почв при орошении дождеванием в предгорной зоне Северо-Кавказского региона

том 1

Специальность 06.01.02- "Сельскохозяйственная мелиорация"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, Поляков Юрий Павлович

Новочеркасск 1999

РЕФЕРАТ

Диссертация в двух томах состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству. Содержание работы изложено на 181 страницах чистого текста* содержит 64 таблицы (на 58 страницах), 55 рисунков (на 35 страницах), 59 зависимостей, 3 приложения (на 143 страницах). Список использованных источников включает 162 наименования на 14 страницах.

Орошение высокоуклонных участков, эрозионный смыв, дождевание, уклон, интенсивность дождя, диаметр капель, кинетическая энергия, поливная техника, жидкий сток, смыв, прогнозирование стока, районирование земель, подбор поливной техники, противоэрозионные мероприятия.

В диссертации изучены факторы, влияющие на количественные и качественные закономерности эрозии почв при дождевании в предгорной высокоуклонной зоне Северного Кавказа, определены динамика и механизм изменения энергетических характеристик дождя по длине крыла или облака различных дождевальных машин. Предложены эмпирические зависимости для определения жидкого и твердого стока.

Математическая обработка экспериментальных данных на основе программных средств "StatGraphics for Win", "Statistica", "SPSS" позволила получить зависимости энергетических характеристик дождя по длине крыла или облака дождевальных машин, изменения количественных показателей жидкого и твердого стока от различных факторов, интенсивно воздействующих на процессы формирования эрозии; предложена методика прогнозирования жидкого и твердого стока и обоснование элементов техники и технологии полива Проведено

районирование и картирование земель Предгорного района Ставропольского края по уклонам, почвам и их противоэрозионной стойкости.

Предложены способы снижения эрозии почв при орошении на основе увеличения поверхностной емкости орошаемых полей, улучшения качества дождя, агротехнических почвозащитных приемов и увеличения поглотительной способности почв.

Предложенные методы снижения эрозии и плодородия почв, повышения урожайности сельскохозяйственных культур внедрены на орошаемых землях совхоза "Константиновский". Экономический эффект предложенных мероприятий обуславливается сохранением верхнего почвенного слоя, питательных веществ, гумуса и увеличением урожайности сельскохозяйственных культур.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 8

1. Современное состояние изученности проблемы

ирригационной эрозии почв 13

1.1. Факторы, влияющие на интенсивность эрозии почв 14

1.2. Допустимая эрозия почв 23

1.3. Эрозия почв при орошении 26

1.3.1. Эрозия почв при поверхностном поливе 26

1.3.2. Эрозия почв при дождевании 32

2. Методика и объекты проведения экспериментальных исследований 39

2.1. Лабораторные исследования 39

2.2. Полевые исследования 48

3. Результаты лабораторных и полевых исследований 66

3.1. Изменение физико-химических и прочностных свойств почвогрунтов в условиях орошения дождеванием 66

3.2. Влияние эрозионных процессов на изменение

микрорельефа и плодородия орошаемых земель 90

3.2.1. Результаты эрозионного влияния орошения на исследуемом участке за 22 года эксплуатации 90

3.2.2. Изучение смыва почвы на стоковых площадках 92

3.2.3. Механизм и особенности впитывания воды

почвой при поливе дождеванием 95 3 .3. Динамика изменения характеристик дождя

р азличных дождевальных машин 101

3.3.1. Изучение энергетических особенностей искусственного

дождя дождевальных машин типа ДДН 103 3 .3.2. Изучение энергетических особенностей искусственного

дождя дождевальных машин типа ДДА 122 3.3.3. Изучение энергетических особенностей искусственного

дождя дождевальных машин типа "Фрегат" 135 3.4. Факторы, влияющие на интенсивность и величину

эрозии почв при искусственном дождевании 146

3.4.1. Влияние уклона на величину смыва почвы 147

3.4.2. Влияние длины склона на величину смыва почвы 150

3.4.3. Влияние интенсивности дождя на

величину жидкого и твердого стока 154

3.4.4. Влияние кинетической энергии и диаметра капель

дождя на интенсивность и величину эрозии почв 171

Выводы 183

4. Прогнозирование эрозии почв и научное обоснование

техники полива при искусственном дождевании 186

4.1. Прогнозирование жидкого и твердого стока 186

4.2. Методика обоснования элементов техники полива высокоуклонных участков дождевания 195

4.3. Районирование орошаемых территорий Предгорного

района Ставропольского края по эрозионным критериям 207

Выводы 221

5. Природоохранные и противоэрозионные мероприятия

при дождевании 223 5.1. Регулирование жидкого и твердого стока путем увеличения

поверхностной емкости орошаемых территорий 223

5.2. Улучшение качества искусственного дождя

в эрозионно-опасных условиях 237

5.3. Агротехнические приемы регулирования

поверхностного стока и эрозии почв 248

5.4. Оценка экономической эффективности противоэрозионных мероприятий 253 5.4Л. Расчет годового экономического эффекта

от внедрения щелевания 254

5.4.2. Экономический эффект от внедрения кротования 259

5.4.3. Экономический эффект от улучшения качества

дождя дождевальной машины ДДА-1ООМА 260

5.4.4. Расчет годового экономического эффекта от

внедрения агротехнического приема 261

5.4.5. Расчет годового экономического эффекта от внедрения методики прогнозирования смыва,

подбора техники и технологии полива 263

Акты внедрения 265

Выводы 268

Основные выводы и предложения 270

Список использованных источников 274

Приложения Том 2

Приложение 1 Результаты патентного поиска мероприятий по предотвращению эрозии почв при орошении на склоновых землях 3 Приложение 2 Математическая обработка результатов полевых исследований с помощью универсального статистического пакета "Statistica for Windows"; таблицы сопоставимости фактических значений, полученных опытным путем, с расчетными, полученными по эмпирическим зависимостям 42

Приложение 3 Акты внедрения. Расчеты экономических эффектов 127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Увеличение среднегодового объема сельскохозяйственного производства, необходимость накормить страну своим зерном, картофелем, овощами - важнейшая задача сегодняшнего времени, поэтому охрана почв от эрозии, засоления, заболачивания является актуальной. Эрозионная обстановка, в целом, в мировой практике ухудшается. В России эрозионно опасные земли занимают значительную территорию, в результате чего большие площади их выведены из хозяйственного оборота Ежегодно площадь смытых почв по стране увеличивается почти на 500 тыс. га, сокращаются пашни, с полей и пастбищ ежегодно смывается до 1,5 млрд. т плодородного верхнего слоя, около 50 млн. т гумуса, более 25 млн. т азота, фосфора и калия.

По оценке специалистов только лишь по Северо-Кавказской экономической зоне ежегодный ущерб от последствий водной эрозии (недобор урожая из-за недополива, выноса питательных веществ) составляет более 1 млрд. рублей. Неблагоприятные погодные условия, засухи последних лет показали, что введение новых орошаемых площадей неизбежно, причем значительная их часть расположена в условиях широковолнистого, неспланированного рельефа полей с уклонами от 0,007 до 0,01-0,03-0,06 и даже 0,1. Более 50 % орошаемых площадей высокоуклонной предгорной зоны эрозионно опасны.

Существующая дождевальная техника, применяемая в предгорной зоне Северного Кавказа, не обеспечивает экологического равновесия и сохранения плодородия земель при орошении, что проявляется в образовании жидкого и твердого стока на орошаемых участках, переформировании их микрорельефа, потере плодородия, недополиве

сельскохозяйственных культур. Смыв почвы в этих условиях за один поливной сезон составляет от нескольких единиц до десятков и даже сотен тонн с гектара.

Решение задач, связанных с повышением надежности защиты земель от ирригационной эрозии и паводков, затрагивает практически весь земельный фонд страны и требует проведения особой почвосберегающей политики. Возместить ущерб, наносимый эрозией, полностью невозможно, поэтому очень важно проведение исследований для предупреждения эрозии почв, отсюда целесообразность и актуальность изучения всего комплекса эрозионных явлений на орошаемых площадях при поливе дождеванием.

Цель работы. Изучение качественных и количественных закономерностей эрозии почв при поливе дождеванием в предгорной зоне Северного Кавказа, динамики изменения энергетических характеристик дождя по длине крыла или облака различных дождевальных машин, обоснование методов прогноза поливной эрозии почв и разработка мероприятий по ее предупреждению или предотвращению.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являются:

- изучение закономерностей формирования жидкого и твердого стока при поливе дождеванием в предгорной зоне Северного Кавказа;

- изучение влияния энергетических характеристик дождя и параметров дождевания различных дождевальных машин на изменение стока;

- вывод расчетных уравнений формирования жидкого и твердого стока в зависимости от влияния различных факторов;

- разработка метода прогнозирования ирригационной эрозии почв;

- научное обоснование элементов техники и технологии безэрозионных поливов высокоуклонных участков;

- разработка способов регулирования жидкого и твердого стока и эрозии почв при поливах в предгорной зоне.

На защиту выносятся:

- закономерности взаимодействия поливных вод и почвенной среды при орошении дождеванием предгорных черноземов Северного Кавказа,

- эмпирические зависимости и метод оценки и прогнозирования формирования стока на орошаемых землях при поливе дождеванием;

- эмпирические зависимости для определения количественных значений стока, впитывающей способности почв при дождевании;

- динамика энергетических характеристик искусственного дождя основных дождевальных машин, используемых на высокоуклонных землях предгорной зоны Северо-Кавказского региона;

- способы регулирования и предупреждение жидкого и твердого стока при поливах дождеванием.

Научная новизна:

получены многофакторные экспериментальные зависимости, учитывающие влияние различных факторов на динамику жидкого и твердого стока, скорость впитывания воды почвой и мутность стока при поливе дождеванием в предгорной зоне Северо-Кавказского региона;

- выведены эмпирические зависимости, определяющие изменения энергетических характеристик дождя по длине крыла или дождевого облака дождевальных машин, применяемых в предгорной зоне;

- на примере Предгорного района Ставропольского края предложена методика и проведено районирование орошаемых территорий по уклонам, почвам и их впитывающей способности;

- разработаны методы прогнозирования эрозии почв, научного обоснования элементов техники полива высокоуклонных участков;

- впервые для предгорной орошаемой зоны Северного Кавказа предложены и изучены почвоохранные и противоэрозионные мероприятия при поливе дождеванием, направленные на увеличение поверхностной емкости орошаемых территорий, впитывающей способности почв, перехват поверхностного стока, агротехнические противоэрозионные приемы и улучшение качества дождя дождевальных установок.

Практическая ценность работы:

- полученные формулы для определения жидкого и твердого стока, фактической скорости впитывания, а так же изменения энергетических характеристик дождя по длине крыла или дождевого облака позволяют на стадиях проектирования и эксплуатации вести практические расчеты по прогнозированию эрозии почв и обоснованию дождевальной техники в соответствии с уклонами и противоэрозионной стойкостью почв;

- предложенные методы районирования орошаемых земель Предгорного района Ставрополья по уклонам, почвам и противоэрозионной стойкости позволяют при существующем и перспективном орошении дождеванием обосновать наиболее целесообразные технику и технологию поливов;

- рекомендованные способы предупреждения и регулирования эрозии почв, сохранения плодородия полей и экономного использования воды прошли апробацию на орошаемых участках хозяйств Предгорного района и рекомендованы в условиях предгорной зоны Ставропольского края.

Реализация результатов работы:

- предложения, направленные на регулирование жидкого и твердого стока, внедрены на орошаемых землях в совхозе "Консгантиновский"

приняты к использованию Управлением ТКООС и рекомендованы для всей зоны высокоуклонных орошаемых земель Северного Кавказа; - эмпирические зависимости для расчетов жидкого и твердого стока, методы прогнозирования эрозии почв, выбора поливной техники и технологии дождевания, а также методы районирования орошаемых территорий Предгорного района получили положительную оценку института ОАО "Севкавгипроводхоз" и приняты для использования при проектировании объектов 4 и 5 очередей БСК, реконструкции ПЕООС на общей площади более 40 ООО га в предгорной зоне.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались конференциях в НГМА: Всероссийская научно-практическая конференция 'Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использование орошаемых земель" (2528.09.95 г.), научно-технические конференции: "Проблемы сохранения окружающей среды при эксплуатации гидромелиоративных систем" (1617.05.96 г.), "Актуальные вопросы мелиораций и природопользования (27.05.97 г.); в ЕИУБиП: Межвузовская научно-практическая конференция "Экономические и экологические проблемы развития Северо-Кавказского региона" (12.12.96); в ЕГИЭиМ: научно-практическая конференция "Современная экономика и управление в творчестве студентов, аспирантов и преподавателей" кроме того результаты исследования по мере их получения и математической обработки регулярно докладывались на заседаниях кафедры НГМА "Производство мелиоративных работ".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

ИРРИГАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Решение задач, связанных с повышением надежности защиты земель от ирригационной эрозии и паводков, затрагивает практически весь земельный фонд страны и требует проведения особой почвосберегающей политики. Эрозия наносит огромный вред не только сельскому хозяйству. Вследствие эрозии обедняется верхний плодородный слой почвы, ухудшается нормальный водо-, газо-, теплообмен, снижается урожай, ухудшается его качество, продуктами эрозии заносятся каналы, реки, водоемы и кюветы дорог. Ухудшается качество воды, так как при эрозии вместе с почвенными частицами со склонов сносятся и пестициды. Водоемы становятся непригодными для оздоровительных мероприятий. Эрозия наносит ущерб гидроэнергетике, коммунальному и рыбному хозяйству, наряду с экономическим, она может приносить и другой ущерб, не поддающийся денежной оценке, это -эстетический вид оголенных почв, заиление водоемов, ухудшающее их гигиенические условия.

На протяжении последних десятилетий наука обстоятельно занята решением проблемы эрозии почв. Но прежде чем приступать к разработке мероприятий и приемов по защите орошаемых территорий, предупреждению и предотвращению эрозии, возникающей при поливах для всех конкретных почвенно-климатических и географических зон, необходимо изучить факторы, определяющие эти процессы, установить механизм влияния и количественные зависимости, интенсивность во времени.

1.1. Факторы, влияющие на интенсивность эрозии почв

Эрозия почвы во время дождя происходит при совместном воздействии потока воды и падающих капель. В начальный период, когда идет интенсивное впитывание, происходит активное разрушение частиц почвы верхнего слоя. Далее, по мере уменьшения скорости впитывания, начинает формироваться поверхностный сток. С увеличением мощности потока и скорости течения, растет силовое воздействие на частицы и, когда оно становится больше сопротивляемости почвенного покрова размыву, начинается эрозия (3).

По мнению многих отечественных (1-7, 15-26) и зарубежных (8-14) исследователей интенсивность и динамика эрозионных процессов зависят от многих факторов и определяются почвенными, биологическими, физико-химическими, географическими, геометрическими аспектами и параметрами техники и способами полива Причем влияние этих факторов оказывается как однофакторно, так и совокупно