Поиск

Проблема качества поливных вод
19.11.2015

В прошлой истории оросительных мелиораций в России проблема качества поливной веды не возникала. Реки Чирчик, Ангрен, Сырдарья, Зеравшан, Амударья, Кура, Волга имели воду с очень малой концентрацией солей - 0,2-0,3 г/л и весьма благоприятным солевым составом (присутствие углекислых и сернокислых солей кальция). Воды этого типа при наличии даже слабого естественного дренажа сами по себе не вызывали никаких отрицательных последствий в орошаемых почвах. Наоборот, благодаря большому количеству взвешенного ила и преобладанию кальция среди катионов, эти воды оказывали благоприятное влияние на физико-химические свойства (пока не поднимались грунтовые воды). В США, Египте, Алжире, Тунисе, Марокко, Аравии, Пакистане, Индии поливные воды,особенно артезианские,часто отличаются повышенной минерализацией (0,5-7 г/л) и обычным преобладанием натрия среди катионов. Поэтому европейская, американская, индо-пакистанская и египетская школы мелиорации всегда уделяли большое внимание химизму оросительных вод.
На современней этапе мировой науке и производству предстоит глубоко войти в проблему качества и химического состава поливных вод. Минерализация речных вод почти повсеместно постепенно увеличивается до 0,6-1,0 г/л. Соотношение ионов меняется в пользу преобладания натрия над кальцием, увеличивается концентрация сульфат-иона и хлор-иона, появляется гидрокарбонат-ион. Вызывается это явление общей зарегулированностью стока и возрастанием роли испарения, увеличением доли дренажных и возвратных вод, прошедших через почвы и грунты оросительных систем в долины рек, возрастанием объема и концентрации сбросных и дренажных вод, сбросом в реки городских, вахтных, индустриальных вод.
Орошение почв аридных областей неизбежно увеличивает вынос легкорастворимых солей из орошенной территории в речные долины; туда же направлен грунтовый поток, усиленный орошением и туда же поступают воды коллекторов и дренажных устройств. На примере рек советской Средней Азии было установлено, что рост площадей орошаемых культур (хлопчатник, рис и др.) за минувшие 25-40 лет вызвал значительное увеличение минерализации вод Амударьи, Сырдарьи, Кашкадарьи, Зеравшана с 0,2-0,4 г/л, бывших в 30-х годах до 1-1,5 г/л в 70-х годах. Исследования Э.И. Чембарисова доказали, что главная причина этого заплетается в увеличении притока солей с новоорошаемых территорий с водами естественного и искусственного дренажного стока. По составу солей воды из бикарбонатно-кальциевых стали сульфатными кальциево-натриевыми; возросла и концентрация хлоридов.
Естественно, что этот процесс протекает различно в разных речных бассейнах. Однако общая тенденция является универсальной.
Исследователи подсчитали что возможная минерализация вод рек Средней Азии к 2000 г. достигнет примерно 1,7-2,4 г/л. Аналогичные процессы наблюдаются на других реках мира. Так, например, минерализация вод реки Колорадо под влиянием поступления в нее возвратных я дренажных вод, а также после сооружения плотин, изменивших режим речного стока, увеличилась с 0,6 г/л до 0,9 г/л, и ожидается, что примерно около 2010 г. она достигла 1,2 г/л. Земледелие США, подвешенное к р. Колорадо (Калифорния, Аризона) Верхнее Колорадо),и особенно земледелие Мексики крайне пострадали от этого, т.к. ухудшение качества воды усилило процессы засоления почв. С Мексикой возник конфликт, который США стремится разрешить дорогостоящими мерами опреснения или отвода соленых вод.

Проблема качества поливных вод
Проблема качества поливных вод

Еще более существенные выводы и наблюдения получены по бассейну р. Рио-Гранде, где изучался солевой баланс с 1934 г. по 1963 г., т.е. 30 лет. По всем станциям наблюдений отмечено, что параллельно увеличение площади орошения происходило и увеличение концентрации солей в водах Рио-Гранде (рис. 36 и 36а, табл. 13а). При этом суммарный сток веды и солей самой реки уменьшался, т.к. вода забиралась в растущих количествах на орошение. Конечно, это вызывало тяжелые последствия в виде усиления засоленности почв.
Надо отметить, что минерализованные воды вертикальных насосных скважин, используемые для поливов, в свою очередь,добавили значительные количества солей в Рио-Гранде. По данным Bower С.А., концентрация дренажных вод в 3-10 раз была большей, чем концентрация поливной воды. По ионному составу дренажных вод обнаруживались явное поглощение почвами и грунтами обменного натрия и вынос вытесненного кальция. В совокупности дренажные воды повышали концентрацию воды в Рио-Гранде тем в большей степени, чем большей делалась площадь орошения. В максимальных случаях концентрация солей в воде реки достигала 28-29 мг*экв/л. Размеры вторичного засоления почв и вод Рио-Гранде достигли таких катастрофических размеров, что американский исследователь Hay считает земли этой аридной территории, превратившимися теперь в действительную пустыню с очень низкой сельскохозяйственной продуктивностью.
Проблема качества поливных вод

Печальным примером опасных последствий засоления речных вод дренажными солями и солями артезианских откачиваемых вод является тяжелое состояние большой оросительной системы (52000 га) в Перу, так называемой Пиурейской оросительной системы. Переоткачка и соленость артезианских вод, рост минерализации речной воды, плохой естественный и недостаточный инженерный дренажи привели к очень сильному засолению орошаемых хлопковых полей. По сведениям Ейгеланда, нечто подобное произошло в Саудовской Аравии, где повторное использование сбросных и дренажных вод большого древнего оазиса Аль-Хаза привело к сильному засолению и почв и вод.
В гигантских масштабах описываемое явление происходит в Пакистане. Там в воды р. Инда постоянно поступают возвратные воды, а также откачанные из скважин артезианские воды щелочного характера, имеющие минерализацию 3-5 г/л. В среднем поля Пакистана поливаются солоновато-щелочной водой насосных колодцев, а дренажных систем для солеотвода пакистанские оросительные системы не имели до средины 60-х годов. И только в последнее время осознана необходимость рассоляющего дренажа для поливных территорий Пакистана. Вообще часто недооценивается соленость подземных вод, откачиваемых из скважин. Их ресурсов в Калифорнии и Аризоне хватило на 70-60 лет. Затеи пресные воды стали замещаться минерализованными. Так, в Аризоне уровень подземных вод вследствие перерасхода за 8 лет углубился на 15-20 м, а минерализация на большей территории выросла до 1 г/л, а в некоторых скважинах -до 3,6 г/л. То жe произошло в районах северо-западной равнины Мексики, где в скважинах также наблюдается процесс интрузии соленых вод, и в низменностях алжирской Сахары с засолением почв и массовой гибелью растений, в частности финиковых пальм.
Об этом же имеются сведения из Ливии, где также качество вод, откачиваемых из скважин, заметно ухудшается вследствие их перерасхода.
В Украине имеется опыт использования солоноватых артезианских и шахтных вод с минерализацией от 1 до 5 г/л. Это воды хлоридно-сульфатного состава, иногда с примесью соды, во чаще с присутствием гипса. Однако нередко шахтные воды являются кислыми, т.к. в них присутствует свободная серная кислота. Эти воды на солонцах могут быть полезными. Однако, как показал М.Ф. Буданов, при минерализации вод порядка 4 г/л и выше за 10-20 и особенно после 30-40 лет бездренажного орошения почвы делаются сильносолонцеватыми, их плодородие падает, урожаи сельскохозяйственных растений становятся нерентабельными. Очевидно, главным было накопление в почвах обменного натрия и потеря ими структуры. Все эти примеры свидетельствуют о том, что использование слабоминерализованных вод для орошения возможно (иногда просто необходимо), но сложно и должно опираться на данные научного опыта, прогноза и на точную технологию.
Опыт Пакистана, Индии, Саудовской Аравии, Ливии, Калифорнии и Аризоны, Перу и Мексики согласно показал, что без организации регулярного отвода горизонтальный дренажем солевых растворов с орошаемых полей воды вертикального дренажа, по-видимому, являются главнейшим фактором перекачки глубинных солей на поля и в реки и последующего увеличения солености остающихся подземных вод. На каждой оросительной системе, пользующейся водами повышенной минерализации, в частности водами насосных скважин, должен обязательно быть установлен незамкнутый тип водно-солевого баланса с помощью систематического водо- и солеотвода растворов в пропорции тем большей, чем выше минерализация вводимых вод (между 10-30% водозабора).
Исследования советских ученых свидетельствуют, что физиологический предел концентрации солей в почвенном растворе корнеобитаемой воны обычных земледельческих растений при хлоридно-сульфатном составе солей равен 10-12 г/л. Поэтому в принципе возможно применять для орошения воды с концентрацией 1,5-3 и даже 5-7 г/л, не допуская, однако, концентрирования солей вше этих пределов, т.е. вше 10-12 г/л. Поэтому при необходимости применять для орошения слабоминерализованные воды должна резко меняться вся система орошениями особенно должны увеличиваться расходные статьи в водно-солевом балансе почвы, всего поля и оросительной системы. Должны возрастать: частота промывных поливов, норны дренирования, объемы отводимых минерализованных почвенно-грунтовых вод. Проблема вынужденного использования оросительных вод повышенной минерализации научно мало разработана. Этот вопрос специально рассмотрен автором. Предварительно следует при проектировании оросительно-дренажных систем руководствоваться следующими придержками, основанными на советских и американских исследованиях. При незасоленной почве и при минерализации оросительных вод (несодового состава) 0,2-0,3 г/л следует отводить естественным или искусственным дренажем около 10% водозабора с целью поддерживать самоупаривание влаги не более чем в 10 раз.
На каждый 1 г солей в оросительной воде необходимо как минимум добавлять на дренажный сток еще около 5% водозабора. Поэтому при повышенных минерализациях поливной воды потребность в дренаже и промывках будет возрастать примерно следующим образом (табл.14).
Проблема качества поливных вод

Итак, если при орошении незасоленных почв пресными водами поливы следует делать по дефициту до полевой влагоемкости, избегая нисходящих токов, то, наоборот, во всех случаях орошения почв минерализованными водами необходимо поливы осуществлять нормами на 15-25% более высокими, чем водоудерживающая способность почвой целью вымывания остаточных солей в дренажные системы.
Вековой опыт оазисов Сахары, Туниса, Египта, Узбекистана, Туркмении, Таджикистана практически подтвердил, что слабоминерализованные воды с концентрацией солей 3-5 г/л можно использовать для орошения хлопчатника и люцерны, но с обязательным наличием хорошо работающих глубоких горизонтального и вертикального дренажей, промывных вегетационных поливов и хорошей промывки в осенне-зимне-весенний сезон для удаления остаточных солей. При этом, однако, урожай может быть на 15-20% ниже нормального. Минерализованные дренажные воды (5-8 г/л) можно использовать для полива масличной и финиковой пальм, гранатов, инжира, травянистых пастбищ опять-таки с условием промывного поливного режима и наличием дренажных устройств. Если хороший дренаж и промывной режим поливов минерализованными водами не обеспечиваются, то почвы засоляются за период 2-5 лет. Известная в Египте крупная ферма "Бург аль-Араб" является как раз таким отрицательным примером. Сравнительно минерализованные веды из колодцев с концентрацией 3-5 г/л давали возможность получать урожаи, когда поливы давались часто и в изобилии. После расширения поливных площадей воды стало не хватать для частых промывных поливов. Почвы быстро подверглись засолению. Посевы и многолетние насаждения стали гибнуть. Это не единственный пример в Египте, такие примеры есть и в Тунисе, и в Алжире.
Применение минерализованных вод облегчается на супесчаных и песчаных почвах, а также в районах полувлажного климата. В этих условиях остаточные соли легче вымываются из почвы.
В последнее десятилетие все шире распространяется так называемое "капельное" орошение. При этом методе влага подается непосредственно к растениям. Метод "капельного" орошения позволяет максимально рационализировать орошение и уменьшить потери воды. Этот метод дорог, но он позволяет получать очень высокие урожаи и предотвратить подъем уровня грунтовых вод.
Площади с "капельным" орошением уже довольно велики (в США около 4 тыс. га). Некоторые авторы считают, что при капельном орошении возможно пользоваться водой повышенной минерализации. Так, есть указания на поливы "капельным" методом водой с концентрацией 16 г/л и даже 30-40 г/л.
Более достоверны исследования Бернштейна, показавшего, что при "капельном" орошений им успешно применялась вода с концентрацией 2,4 г/л. Он же считает, что полив по бороздам более эффективен, чем дождевание при концентрациях поливной воды 1-3 г/л,и это вызывает меньшие потери урожая. Возможно, что на песках и вообще на легких грунтах это и так. Однако можно сомневаться в тем, что при "капельном" орошении минерализованными водами самоудаление остаточных солей в почвах малой водопроницаемости будет легким. Вопрос подлежит глубокому и достаточно продолжительному изучению.
При вынужденном применении минерализованных вод для орошения целесообразно отказаться от малосолеустойчивых культур и лучше переходить на промышленное возделывание солеустойчивых растений, и может быть даже галофитов. Из древесных пород при этом в мировой практике считаются солеустойчивыми тамариск, финиковая пальма, лох, гледична, сосна эльдарская, саксаул.
С использованием минерализованных вод возделываются дикие растения для получения ценных химических препаратов лекарственного ИЛИ технического значения: камеди из Ferula assa foetada или из видов Astragalus, сантонина из Artemisia cina, сахаристых веществ из Alhagi, поташа из саксаула, смолы из бальзамового дерева Amiris, аравийской смолы из акации, танина, алоэ и пр. Ho и это не просто, т.к. введение в культуру диких растений требует больших научных знаний и усилий.
Из травянистых растений, судя по опыту Мексики, хорошо переносят оросительные воды повышенной минерализации (10-16 г/л): бермудская трава (Cynodon dactilon), сакатон (Sporobolus Wrightt И Sporobolus Airoides), голубое просо (Panicum Antidotale), шамиза (Atriplex canescence). Они дают при этом высокую продукцию. Этот опыт кратковременный. Можно не сомневаться, что устойчивый эффект при длительней применении минерализованных вод для орошения потребует и в этих случаях промывного режима и глубокого дренажа для отвода рассолов.
Надо очень осторожно относиться к призывай широко использовать для орошения морскую воду. Сама природа показала человеку непригодность морской воды для произрастания нормальных растений на морских берегах и засоленных маршах. Можно использовать на песчаных и гравелистых почвах разбавленные морские воды для полива галофитных трав, пастбищ. И то надо надеяться при этом на выщелачивание солей из почвы в дождливый зимний сезон или муссонными дождями летом. Можно в устьях больших рек применять для орошения опресненные воды (5-7 г/л) заливов и эстуариев, но и в этом случае необходимо точно оценить ионный состав и общую концентрацию солей в воде в течение поливного сезона, механический состав и водные свойства почв, режим испарения и выпадения атмосферных осадков местности. Опыт орошения водами Таганрогского залива на юге России не дал положительного результата.
Применение для орошения даже искусственно разбавленных морских вод с концентрацией солей 7-12 г/л потребует промывного типа увлажнения почв, частого систематического достаточно глубокого горизонтального дренажа. Это необходимо для регулярного и эффективного отвода (выноса) солей, остающихся после каждого полива в почве при орошении минерализованными водами. Вторжение морских вед с приливами и ураганами в устья рек, каналы, дренажную сеть является постоянной причиной засоленности почв и вод приморских низменностей. Сооружение плотин на реках, отъем воды на орошение в среднем течении весьма усиливает эти тенденции засоления дельтовых почв и вод. Индия, Корея, Япония, КНР, Иран и Ирак, Египет, дельта Сакраменто в США знают это явление (Труды VI Конгресса по ирригации и дренажу). Это хорошо иллюстрируется опытом орошения Южного Ирана и Северного Ирака. На поля дельт pp. Карун, Шат аль-Араб два раза в сутки под влиянием приливов автоматически поступает опресненная вода залива. Обширные плантации финиковой пальмы произрастают здесь благодаря этому вековому орошению. Постройка плотин и оросительных систем на pp. Карун, Евфрат уменьшила речной сток и разбавленность воды в устьях. Произошло внедрение морских вод. Минерализация в устьях и заливе поднялась. Началась гибель пальмы под влиянием полива менее разбавленной морской водой. Конечно, если речь идет о культуре типичных галофитов вроде солероса или сарcазана, то использование морских вод не только возможно но и необходимо.
Однако при необходимости мелиорировать и осваивать сильнозасоленные почвы, солончаки с 5-10% солей, глинистые тяжелые щелочные (содовые) почвы с pH 9-10 для капитальной промывки в целях рассоления верхнего полуметра-метра почвы целесообразно применять воды высокой минерализации нормами по 2000-3000 м3/га. Концентрация почвенных растворов в таких почвах измеряется колоссальными величинами 50-100 г/л. Поэтому воды с концентрацией 5-20 г/л могут быть использованы для начального растворения и намывания солей из таких почв, конечно, на фоне хорошего дренажа.
Минерализованные промывные воды представляют далеко не насыщенные растворы. Они дополнительно растворяют соли в почве, нейтрализуют соду присутствующим сернокислым кальцием, вытесняют обменный натрий, вызывают коагуляцию почвенных коллоидных глин и улучшают условия фильтрации. Однако для завершения такой промывки засоленных почв все же требуется последние 3000-4000 м3/га воды дать уже пресными оросительными водами. Положительный опыт применения соленых вод для промывки солончаков имеется в России и в США.
Есть еще один аспект проблемы качества поливных вод - это опасность насыщения почвенного поглощающего комплекса обменным натрием и осолонцевания. В безгипсовых почвах поступление натрия из растворов в обменное состояние особенно облегчено. Опасность этого явления необходимо оценивать по соотношению ионов натрия и кальция (иногда кальция и магния) в растворе (в поливной воде).
Если в составе ионов растворенных солей натрий достигает 50-75% суммы катионов, то постепенно начинается процесс накопления в орошаемой почве обменного натрия со всеми отрицательными последствиями. Конечно, это не будет иметь место, если почва содержит в верхнем горизонте гипс в виде рассеянных мелких кристаллов, что обычно для хлоридно-сульфатных солончаков. Они всегда содержат гипс в верхних горизонтах. Многие воды с минерализацией 2-7 г/л сами имеют в составе солей растворенный гипс. В этом случае ощелачивания почвы в результате полива минерализованными водами вообще не происходит. Натриевые воды для орошения легче применять на песчаных и гравелистых почвах, имеющих высокую водопроницаемость, низкую водоудерживающую способность и малую емкость поглощения.
Если для орошения приходится применять щелочные воды, содержащие бикарбонаты и карбонаты натрия (в этих водах мг-экв HCO3-мг-экв Са++ + Mg++), то происходит быстрое ощелачивание почвы: появляется обменный натрий в количествах 15-20% оnт емкости обмена, в почве накапливается свободная сода (двууглекислая и нормальная), почва приобретает высокую щелочноcть (pH 8,7-10), утрачивается структура, снижается водопроницаемость, усиливается коркообразование. Все это особенно быстро протекает на суглинистых и глинистых почвах и значительно слабее на почвах песчаных.
Для борьбы с содовым засолением, как рассмотрено выше, приходится применять внесение гипса, серы, сульфата железа, кислых отходов промышленности (серную кислоту и др.). Полезны будут кислые и физиологически кислые минеральные удобрения (например, сульфат аммония, мочевина), органические удобрения, дающие большое количество углекислоты, что снижает щелочность почвенных растворов. Интенсивность промывного режима и дренажного водоотвода должны быть высокими.