В. В. Морозов гіс в управлінні водними І

Вид материала

Содержание

у співавторстві з канд. с.-г. наук Волочнюком Є.Г.)
Мета досліджень
Задачі досліджень
Об’єкт досліджень
Методи досліджень
Матеріали досліджень.
Практичне значення роботи.
Гідрохімічний режим Інгулецького магістрального каналу.

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПОЛИВНОЇ ВОДИ, ПІДВИЩЕННЯ РОДЮЧОСТІ ГРУНТІВ І ОХОРОНИ ЛАНДШАФТУ НА ПРИКЛАДІ ІНГУЛЕЦЬКОГО ЗРОШУВАНОГО МАСИВУ

(у співавторстві з канд. с.-г. наук Волочнюком Є.Г.)

5.1. Обґрунтування, мета і задачі роботи

Основною екологічною проблемою на Інгулецькій зрошувальній системі є постійне погіршення якості поливної води. Річка Інгулець надзвичайно забруднена іонами хлору, натрію та іншими шкідливими речовинами, вміст яких перевищує допустимі норми у 3-5 і більше разів. Рік у рік простежується їх зростання. Останніми роками водозабір до системи скоротився, що у поєднанні зі зменшенням строків функціонування системи ускладнює ситуацію по формуванню якості зрошувальної води. Так, збільшилася частка води р. Інгулець при формуванні поливної води, затягуються строки проведення відкачок мінералізованої води із ділянки річки ГНС-гирло, підвищилася залежність якості поливної води від річкового стоку.

Скидання забруднених вод до річки Інгулець у більшому ступені впливають на поливну воду, підвищують мінералізацію, збільшують в неї частку токсичних іонів (натрію і хлору). Проведення іригаційних поливів такою водою викликає розвиток деграційних процесів ґрунтів на масиві. Родючість чорноземів південних і темно-каштанових ґрунтів в зоні Інгулецького зрошуваного масиву (ІЗМ) знижується. Однією із головних причин тому є тривале зрошення водою незадовільної якості. Більшість поливів проводиться водою, що викликає вторинне засолення та осолонцювання ґрунтів, негативно впливає на розвиток сільськогосподарських культур. Ґрунти масиву потребують проведення ландшафтно-меліоративних і агромеліоративних заходів із-за фізичної та хімічної деградації.

Зі збільшенням частки інгулецької води якість поливної води більше залежить від короткочасних коливань її якісних показників. При проведенні організаційних заходів потрібно зменшити таку впливовість. Виникає потрібність у системному підході щодо покращення якості поливної води та її впливу на зрошувані ґрунти шляхом поєднання всіх заходів у єдиний ландшафтно-меліоративний комплекс, який повинен забезпечувати покращення якості зрошувальної води на всьому шляху її формування – від джерела зрошення до моменту подачі її у грунт. Для вирішення цієї задачі необхідна розробка системи управління режиму роботи ГНС, яке повинно проводитися на двох рівнях. Перший – локальний. При зміні якісних характеристик змінювати кількість одночасно працюючих насосних агрегатів. Другий – на рівні басейну р. Інгулець, за допомогою жорсткого регулювання скидів до річки забруднюючих речовин, попусків із водосховищ. Такі заходи дозволять поліпшити якість стоку Інгульця та зменшити його варіабельність ще до водозабору в Інгулецьку зрошувальну систему.

Мета досліджень полягає в розробці ресурсозберігаючої, екологічно-безпечної технології підвищення продуктивності зрошуваних підтоплених ландшафтів Інгулецького масиву.

Задачі досліджень:

- в процесі формування геоінформаційниої системи з управління якістю поливної води Інгулецького масиву створити відповідну базу даних;

- вивчити особливості формування якості води в р. Інгулець та магістральному каналі;

- розробити моделі прогнозування показників якості поливної води;

- розробити і впровадити технології управління формуванням якості зрошувальної води та покращення меліоративного стану підтоплених агроландшафтів для підвищення їх продуктивності.

Об’єкт досліджень є процес управління якістю поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві при різних умовах її формування.

Предмет досліджень - умови, фактори і режими формування якості поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві.

Методи досліджень. При виконанні роботи використовували польові, лабораторні, модельні, аналітичні, теоретичні методи досліджень, методи системного, дисперсійного багатофакторного, кореляційного аналізів та математичного моделювання.

Матеріали досліджень. В роботі використані дані проблемної науково-дослідної лабораторії еколого-меліоративного моніторингу ХДАУ, Херсонського обласного виробничого управління меліорації та водного господарства, Управління каналом Інгулецької зрошувальної системи (ІЗС), Інституту землеробства південного регіону УААН.

Практичне значення роботи. Розроблений комплексний системний підхід до поліпшення якості поливної води ІЗС (в системі еколого-меліоративного моніторингу якості води системи) для впровадження у гідромеліоративну практику з метою сприяння покращенню еколого-меліоративного стану зрошуваних ландшафтів і підвищення родючості ґрунтів Інгулецького масиву України.

5.2. Теоретико-методологічні аспекти формування якості поливної води Інгулецької зрошувальної системи

Серед ґрунтів Півдня України переважають чорноземи південні та темно-каштанові ґрунти легко-, середньо- та важкосуглинкового механічного складу, особливістю яких є виражена фізична солонцеватість при незначному вмісті обмінного натрію (Усов Н.І., 1948, Садовніков І.Ф., 1952, Семенова-Забродіна С.П., 1952, Лозовіцький П.С., 1992, 1993). Солонцеві ґрунти характеризуються низькою насиченістю кальцієм, тому вони поглинають його із розчинів нейтральних солей (Соколовський А.Н., 1921, Грінченко А.М., 1946).

Якість поливної води на ІЗС формується шляхом змішування вод річок Дніпро та Інгулець (рис.5.1). Вона залежить від процентного співвідношення їх витрат, на яке впливають стік р. Інгульця, режим роботи головних насосних станцій (ГНС) Інгулецької та Явкінської і кліматичні умови (атмосферні опади, дефіцит вологості тощо), промислові та комунальні скиди. Річка Інгулець використовується для транзитного пропуску високомінералізованих вод Криворізького гірничорудного басейну (КГРБ), мінералізація її води в лютому-березні сягає 4,7–6,7 г/л із вмістом натрію 57,4–74,3 % від суми катіонів, хлору – 35,0–72,4 % від суми аніонів. Весною з метою очищення русла річки та підготовки його до зрошувального сезону проводиться санітарна промивка русла на ділянці Кривий Ріг - гирло р. Інгулець водою водосховищ КГРБ (рис.5.2). Це знижує мінералізацію річкової води в квітні до 0,6-1,2 г/л, зменшуються концентрації іонів хлору в 2,5-10 разів, сульфатів – в 2-2,5 рази, частки іонів натрію від суми кальцію та магнію до 53,1-63,6 %.

Рис.5.1 Схема формування якості поливної води на ІЗС

Рис.5.2 Схема еколого-меліоративного моніторингу басейну р. Інгулець

Згідно проекту ІЗС, в Інгулецький магістральний канал (ІМК) подається змішана дніпровська та інгулецька вода у співвідношенні 75-80 % та 20-25 % відповідно. Фактично для зрошення подається вода зі значно більшою часткою р. Інгулець. Постійно поливна вода вміщувала значну кількість хлоридів та натрію.

У теперішній час вміст хлоридів та загальної мінералізації зрошувальної води перевищує проектне у 2,0-3,0 рази. Якість води в ІЗС залежить від ступеню змішування вод річок, від гідрохімічного режиму і водного балансу джерела – донора (р. Інгулець) та гідрологічного режиму ІМК.

Доцільне припущення, що регулювання якості поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві (ІЗМ) можливо досягти на макро (басейнове регулювання стоку р. Інгулець) та мікрорівнях (режим роботи головних насосних станцій). Ландшафтний підхід до меліорації ґрунтів ІЗМ через покращення якості поливної води в умовах ІЗС за рахунок регулювання режиму роботи ГНС вперше висловили
к. с.-г. н. Морозов В.В. та к. т. н. Нежлукченко В.М. (1988).

В перші десятиріччя експлуатації ІЗС працювала в умовах гарантованого енергопостачання, а методи управління зрошенням були зорієнтовані на водозабір та водорозподіл на основі сезонних планів водокористування, розроблених для середньопосушливого року 75 % забезпеченості. Сучасна концепція екологічно-безпечних меліорацій включає високу культуру землеробства, адаптивність агромеліоративних заходів для конкретних агроландшафтів, подальшого впровадження регіонального та національного еколого-меліоративного моніторингу земель (Медведєв В.В., 1992, Коваленко П.І., Жовтоног О.І., 1999, 2001, Драчинська Е.С., Блохіна Н.М., Шевченко А.М., 1996, Морозов В.В, 2002). Концепція враховує особливості функціонування природно-агромеліоративної системи на кожному із її ієрархічних рівнів: агрокультурному, господарському та агроландшафтному (міжсистемному). Для реалізації зазначених принципів та вимог на ІЗМ необхідне удосконалення існуючих методів планування та функціонування, до яких належать розвиток основ управління, визначення та формування бази нормативних параметрів різних умов функціонування водогосподарського комплексу, коригування параметрів моделей природних комплексів та стратегії функціонування водогосподарського комплексу, поширення та удосконалення інформаційної бази планування функціонування зрошувальної системи (Моисеев Н.Н., 1987, Михеев Е.К., 1995, Ушкаренко В.О., Міхеєв Є.К., 1999, 2001).

5.3. Об’єкт, умови і методика досліджень

Дослідження проведені в умовах Інгулецького зрошуваного масиву, який розташований на території Миколаївської і Херсонської області та займає площу 122077 га. Окрім подачі води на зрошувані землі, за допомогою мережі каналів заповнюються водойми, що побудовані для водопостачання та обводнення підлеглої території. Основним накопичувачем води є Жовтневе водосховище з регулюючою ємністю 25 млн. м³, яке знаходиться у хвостовій частині зрошувальної системи та служить джерелом для водопостачання і комунальних потреб м. Миколаєва. Територія між Дніпром та Південним Бугом являє собою майже горизонтальну водорозподільну степову рівнину із слабко розвинутою гідрографічною мережею. Балки зустрічаються відносно рідко, вони неглибокі, особливо у верхів’ях. У ґрунтовому покритті переважають темно-каштанові та каштанові ґрунти, в північній частині поширені південні чорноземи. Середньорічна сума атмосферних опадів на масиві змінюється від 439 мм на північному заході до 400 мм на південному сході. Більша частина опадів випадає у теплий період року, максимальна кількість - у червні. Зона ІЗМ характеризується низькою відносною вологістю повітря. Середньорічне її значення незначно підвищується з південного сходу на північний захід від 70 % до 73 %.

Дослідженнями умов формування якості зрошувальної води охоплений період з 1973 по 2004 рік, а саме його ключові 1973, 1974, 1985, 1986, 1996-2004 роки. Найпосушливим відзначається 1996 р., коли забезпеченість атмосферними опадами становила 71% на рік, за вегетаційний період (під час роботи ГНС) - менше 81%. Найбільша кількість атмосферних опадів відмічалася у 1997, 1998, 2004 рр. Забезпеченість опадами у ці роки становила відповідно 1%, 20 та 12 %.

Вивчення формування хімічного складу води джерел зрошення ІЗС проводилась протягом 1996-2004 рр. Для порівняння враховувалися матеріали, отриманні відомчою лабораторією УК ІЗС та проблемної лабораторії еколого-меліоративного моніторингу ХДАУ. Спостереження і дослідження виконані відповідно загальноприйнятих методик (Доспехов Б.А., 1985, Аринушкина Е.В., 1970, Базилевич Н.И., Панкова Е.И., 1968 та ін.). При обробці одержаних даних використані методи математичної статистики, дисперсійний аналіз, методи кореляції і регресії (Ушкаренко В.О., 1978, Ушкаренко В.О., Скрипников А.Я., 1988 та ін.).

Математична обробка результатів дослідів виконувався методом дисперсійного та кореляційного аналізів за методиками Доспехова Б.А., 1979, Дмітрієва Е.А., 1972, Мармози А.Т., 1990 та інші. Розрахунки залежностей проводилися за допомогою ПЕОМ (програм пакетів Microsoft Office, Mathcad, Statistica та ін.). Проведення досліджень за роками різної забезпеченості опадами дозволили одержати об'єктивні різнопланові дані і зробити відповідні висновки щодо впливу кількості забору води до магістрального каналу на формування якості поливної води ІЗС, що в свою чергу впливає на гідрогеолого-меліоративний стан зрошуваних ґрунтів та урожайність сільськогосподарських культур.

5.4. Особливості формування якості води в річці Інгулець як джерелі зрошення

Під час вегетаційного періоду скидання сильно мінералізованих та забруднених вод Кривбасом значно скорочуються, що знижує мінералізацію у річковій воді до 2000 – 2800 мг/л із вмістом хлоридів 550–980 мг/л. Цього часу стічні води, в тому числі й шахтні, частково збираються у водоймах-накопичувачах, які спорожнюються після закінчення роботи ГНС.

Із-за 100 % зарегульованості стоку всі витрати р. Інгулець проходять скрізь штучні водойми. Тому кількість та якість стоку річки залежить від санітарних попусків, специфіки підприємств, що скидають забруднені стоки, забезпеченості атмосферними опадами або наповнення водосхо-вищ. Попуски у вегетаційний період викликають суттєву зміну гідрохіміч-них показників в р. Інгулець на ділянці Кривий Ріг – ГНС (рис. 5.3).

При зменшенні забезпеченості років атмосферними опадами вміст загальної кількості всіх іонів в річці підвищується. Більш всього змінюється вміст іонів хлору та натрію. За період із 1996 по 2004 рр. у маловодні роки середнє значення вмісту хлоридів протягом вегетаційного періоду у річковій воді становило11,27 мекв/л.

У багатоводні роки вміст хлоридів збільшився до 16,5-25,8 мекв/л. Вміст іонів натрію за період, що вивчався, збільшився від 12,4 у маловодні до 17,5-25,0 мекв/л у багатоводні роки.

Під час роботи ГНС витрати річки Інгулець значно менші за ті, що надаються до системи. Різниця доповнюється дніпровською водою, яка на протязі всього року відзначається доброю якістю та різко визначеним гідрокарбонатним складом (HCO₃^- - 60-90% мекв/л) при перевазі 60-82 мекв/л Ca²⁺. Коливання гідрохімічних показників у воді р. Дніпро досить незначне, мінералізація її рідко перевищує 0,45-0,50 г/л, хімічний

Рис. 5.3 Динаміка вмісту хлоридів у р. Інгулець за середніми декадними значеннями

склад - гідрокарбонатно-кальцієвий. Коливання гідрохімічних показників у воді р. Дніпро відносно сталі. Згідно розрахунків за вмістом іонів хлору багатоводні роки відмічено із найбільшими значеннями середнього

– 1,61 мекв/л. Із зменшенням водності ці показники зменшуються. Динаміці хлоридів відповідає зміна показників вмісту іонів натрію. У багатоводні роки

дорівнюється 0,98 мекв/л.

5.5. Еколого-меліоративні закономірності формування води в магістральному каналі Інгулецької зрошувальної системи

Гідрологічний режим Інгулецького магістрального каналу (ІМК). Подача води системою ведеться за планом водокористування із мінімізацією непродуктивних скидів. У характерні періоди 1973-1974, 1985-1986 рр. із розвитком зрошення, водопостачання м. Миколаєва та обводнення території Інгулецького масиву витрати до системи були постійно високими і тільки у 1985 році в зв’язку із випаданням 96,0 та 117,8 мм опадів у червні-липні ГНС було призупинено на 7 діб.

Останніми роками (із 1997 р.) витрати до системи скоротилися вдвічі порівняно із 1973-1996 рр., коли вони становили близько 30 м³/с. Дані по тривалості роботи ГНС та середніх витрат до системи за вегетаційний період у роки з різною забезпеченістю опадами зведено до табл.5.1.

Гідрохімічний режим Інгулецького магістрального каналу. У більшості випадків в МК не досягається заплановане співвідношення вод річок Інгулець і Дніпро, особливо останніми роками. У поєднанні з поступовим погіршенням природних поверхневих вод та збільшенням частки Інгульця у формуванні поливної води це стало причиною погіршення її якості у МК. Мінералізація поливної води в магістральному каналі у більшості випадків перевищує 1000 мг/л, а на початку чи в кінці вегетаційного періоду може досягати 2300-2700 мг/л.

Таблиця 5.1 - Час роботи та середні сезонні витрати ГНС за роки досліджень

Роки	Середні витрати за вегетаційний період, м³/с	Тривалість роботи, днів	Забезпеченість атмосферними опадами , %
за вегетаційний період	за рік
1973	31,31	213	30	28
1974	30,50	216	45	30
1985	27,34	198	6	4
1986	34,44	215	64	61
1996	30,06	137	81	72
1997	15,14	162	1	1
1998	17,58	166	20	17
1999	17,69	156	61	24
2000	17,81	121	8	20
2001	16,30	119	38	65
2002	15,79	132	65	47
2003	14,92	157	57	29
2004	10,43	173	12	8

Blog

В. В. Морозов гіс в управлінні водними І

Содержание

(у співавторстві з канд. с.-г. наук Волочнюком Є.Г.)