Поиск

Управление водно-солевым балансом при орошении
19.11.2015

Концепция водно-солевого баланса орошаемой территории была введена в западную научную литературу Скофильдом. Она понималась и понимается многими ученики как равновесие Между приходом и расходом солей на оросительной системе. Советские ученые, разрабатывая концепцию водно-солевого баланса, понимают что как "бюджет" воды и солей, в котором надо не всегда добиваться равновесия, а, наоборот, уменьшать или увеличивать различные статьи прихода и расхода солей и воды в бюджете. Мелиорация засоленных почв является формой сознательного изменения существующего и методом создания другого, более благоприятного для урожая растений водно-солевого баланса (бюджета, режима). Эксплуатация оросительных мелиоративных систем - это стремление поддержать методами планового водопользования, поливами, обработкой, величиной дренажного стока оптимальный для урожаев растений и для сохранения окружающей природной среды водно-солевой баланс (режим) территории.
Учение о типах водного режима и баланса рассматривается в трудах А.А. Роде и В.А. Ковды. В работах последнего рассмотрены типы солевого режима и сделана попытка связать баланс воды и солей в типологии водно-солевых балансов ландшафтов и почв. Важно при разработке водно-солевых балансов для целей мелиорации засоленных почв оценивать отдельно роль испарения, транспирации и оттока солевых растворов, различать компенсированный и декомпенсированный, стабильный и накопительный (испарительный), промывной (рассолительный) типы баланса. Особое внимание должно уделяться факторам декомпенсации сложившихся стабильных (компенсированных) типов баланса, вызванной путем новых поступлений или увеличением расходов водных масс (грунтовых вод прежде всего) и перемещения с ними солей.

Управление водно-солевым балансом при орошении
Управление водно-солевым балансом при орошении

Насколько это полезно для управления мелиоративными процессами,можно судить по опыту Вахшской оросительной системы в Таджикистане, где первый водно-солевой баланс был составлен В.А. Ковдой и П.А. Керзумом в 30-х годах. Этот баланс показал количественно растущее соленакопление и его источники. Были приняты неотложные меры. Создана развитая сеть дрен и глубоких коллекторов и насосных вертикальных дрен-скважин. Уже к 1960 и особенно к 1970 г. площадь солончаков сократилась, а затем практически полностью исчезла. Урожаи хлопчатника достигли 35-40 ц/га сырца.
Столь же поучителен опыт систематических водно-солевых балансов на оросительных системах США. В долине Коачелла суммарный солевой баланс оросительной системы изучался с 1957 по 1965 г. Авторы не указывают исходную засоленность почв, глубину и минерализацию грунтовых вод, глубину и густоту заложения дрен. Однако известно, что при начале исследований в 1957 г. годовой приход солей - 335 277 т значительно превышал вынос солей - 90 561 т/год (индекс 90 561/335 277 = 0,27). Это было следствием того, что орошаемая площадь около 21 000 га была плохо обеспечена дренажем (лишь 4388 га, т.е. около 20%), а отвод дренажной воды составлял лишь около 11% водозабора. Естественно, что при этом сохранялось исходное засоление почв и шло засоление вторичное. В последующем на оросительной системе Коачелла площадь дренированных территорий достигла примерно 60% орошенного периметра. Дренажный сток достиг 153 000 м3/год и вынос солей стал превышать их поступление (385 тыс. т - вынос, 369 тыс. т - приток). Этому способствовало применение поливных поливов. Объем вод, использованный в 1965 г. для промывок, составил 20,7% от водозабора (табл. 18 и 18а). Из этого поучительного примера видно, как необходимо знать исходную засоленность и солевые запасы в почвах, грунтах, грунтовых водах. И как необходимо пользоваться методами водно-солевого баланса для оценки хода мелиоративного процесса на оросительных системах не только по соотношению солей в дренажных и оросительных водах, но и по солевым запасам в почвах и грунтовых водах. Обычно солевой баланс и потребность в дренировании в ClilA оценивалась по формуле: SB = Cdw.Cdw - Viw.Ciw, т.е. по разности дренажного долевого стока и поступлений солей с ирригационной водой. Впрочем, теперь Родес приводит и более развернутую формулу солевого баланса:
Viw.Ciw + Vgw.Cgw + Sm + Sf - Vdw.Cdw - Sp - Sc = Saw

где Viw, Vgw, Vdw - объемы ирригационной, грунтовой, дренажной воды; Ciw, Cgw, Cdw - концентрации солей в них. При этом Vgw -не грунтовая вода, а та, которая находится в корневой зоне и куда она поступает от грунтовой воды. Sm - соли,- образовавшиеся от выветривания минералов. Это обычно ничтожная величина; ею лучше пренебречь. Правильнее было бы в формуле дать запасы тех солей, которые уже представлены в виде твердого осадка внутри почвы и грунта (а их может быть 1-4-5%). Обе формулы весьма напоминают формулу солевого баланса, данную нами еще в 1946 г.:
ΔS = Sz + (Suw - suw) + Siw - Sv, где

ΔS - изменения в общем запасе солей;
Sz - общий запас солей в начале балансового периода (исходный);
Suw - поступление солей из грунтовых вод в почву;
suw - отток солей из грунтовых вся в дрены;
Siw - поступление солей с оросительными водами;
Sv - вынос солей с урожаем (можно пренебречь при орошении).
Упомянутая формула позже была принята с некоторыми изменениями и в России и в ряде западных стран. Что отличает нашу формулу от формул американских исследователей - это обязательный показатель запасов солей в системе почва - грунтовая вода.
Это особенно важно при проектировании и проведении рассолительных мелиораций, когда возникают такие вопросы: сколько солей в почве и в грунтовой воде? на каком фоне исходной токсичности (высоком или низком) солей складывается приход и расход солей, вносимых оросительной водой? где главные запасы солей - в почве или в грунтовой воде? откуда и какими путями их удалить? Эти вопросы не могут быть поняты, если солевые запасы почвы, грунта, грунтовых и поливных вод неизвестны и если водо- и солеобмен между ними не определен для исходного и проектного (желаемого) состояний.
Как мы рекомендовали не раз в прошлом, водно-солевые балансы должны изучаться и подсчитываться для почвы, массива (по контурам почв), оросительной системы, ландшафта (по токсическим солям, видам или сумме солей). Научное обоснование проектов орошения, методов рассоления и освоения почв аридных областей совершенно обязательно должно включать составление водно-солевого баланса: исходного, на период мелиоративных работ и на будущий нормальный эксплуатационный период.
Эти три варианта водно-солевого баланса должны быть положены в основу каждого ирригационного проекта. Составление водно-солевых балансов должно в оптимальном случае:
а) показывать валовые запасы разных солей на территории проекта, их источники, распределение в грунтах и грунтовых водах, а также динамику и тенденции изменения заселения почв, грунтовых и оросительных вод;
б) опенивать различные варианты возможных изменений в водносолевом режиме территории после начала орошения и при разных технических вариантах оросительно-дренажных работ; определять, произойдет ли подъем уровня грунтовых вод; в какие сроки, в какой последовательности и объемах необходимо производить промывки почв для солеудаления, какие постоянные и временные дренажные сооружения следует иметь, какой оптимальный состав и порядок мелиоративных работ предпочтителен на переходный период;
в) подсказывать время наступления установившегося типа водно-солевого баланса, оптимальные концентрации содей, которые целесообразно поддерживать в почвах и грунтовых водах, оптимальную и критическую глубину залегания грунтовых вод, поливные режимы и необходимость повторных промывок, объемы и долю вывода дренажных вод, постоянные элементы дренажных сооружений, которые нужно сохранить; определять, как сложится водно-солевой баланс на соседних территориях и как далеко на прилегающих пространствах скажется создание новой оросительной системы;
г) давать прогноз изменения минерализации оросительных вод в зоне действия оросительной системы, имея в виду сброс дренажных вод в реки и откачку артезианских или грунтовых вод и их перерасход и подпитывание солевыми растворами с больших глубин.
Научная разработка и составление таких водно-солевых балансов - весьма сложная, но в то же время необходимая работа исследовательских и проектных институтов. Большинство проектов составляется в настоящее время без разработки водно-солевых балансов и без определения средств управления ими. По этой причине и возникают непредвиденные и неожиданные последствия в виде заболачивания, подтопления, засоления, осолонцевания почв после нескольких лет работы оросительных систем.
Целесообразно улучшить всю практику проектирования оросительных систем. Должны быть составлены детальные карты: почвенные, литологии, физических и химических свойств грунтов, грунтовых вод, карты послойных запасов солей.
Составление водно-солевых балансов на стадии проектирования носит характер анализа - объяснения явлений соленакопления и прогноза ближайшего и будущего режимов. Поскольку реальные водно-солевые балансы территории новых оросительных систем и прилегающих массивов могут в действительности сильно отличаться от расчетных, необходимо составлять рабочие - контрольные (информационные) водно-солевые балансы.
Наличие данных о контрольной водно-солевом балансе (для части или всей территории) в руках руководителей оросительных систем позволяет планировать и осуществлять все необходимые добавочные меры по управлению ходом мелиоративных процессов. По мере целесообразности будут дополняться или выключаться элементы дренажной сети, проводиться дополнительные планировки и промывки, устанавливаться насосные станции на коллекторах, назначаться пункты и закладываться насосные колодцы вертикального дренажа.
В настоящее время руководители оросительных систем обычно не получают информацию о ходе рассоления почв при освоении, при промывках, о сдвигах площадей засоленных почв, не располагают сведениями об изменениях уровня и минерализации грунтовых вед и данными о расходах дренажных вод и их химизме. Если такие данные и поступают в руки руководителей, то с очень большим опозданием или ухе после катастрофических событий.
Для разработки контрольных текущих водно-солевых балансов и для подготовки на их основе ежегодных корректив к программам мелиоративных работ необходимо иметь следующие данные: по водозабору и водораспределению (особенно химизму оросительных, сбросных и дренажных вод);по фактическим объемам промывных вод (расчетные и опытные); по испарению и транспирации; о напорах, уровне и химизме грунтовых вод (на три-четыре срока, оформленные в виде карт); о контурах и площадях солончаков и выпадов культур (лучше по материалам аэрофотосъемки и наземной корректировки); о содержании солей в главных группах почв и грунтов на весну и осень; о расходах дренажно-коллекторных вод, и в особенности о количестве и составе выносимых ими солей; наконец - достоверные данные об урожае и площадях.
Каждая оросительная система должна иметь сеть гидро- и галометрических постов, сеть скважин и наблюдательных площадок для изучения солевого режима; получать данные аэросъемки, проводить в натуре гидрогеологические, почвенные, мелиоративные, агрономические наблюдения, замеры; выполнять подсчеты, сопоставлять и обобщать различные материалы. Эти работы требуют квалифицированного персонала, наличия мелиоративных лабораторий и счетных пунктов, хорошего научного руководства.
Сознательное научно-техническое руководство мелиорациями и использованием мелиорированных земель требует регулярного поступления следующей основной информации: а) раз в 5-10 лет данных о состоянии почв и грунтовых вод всей мелиорированной площади (т.е. ежегодно на 10-20% мелиорированной территории) в масштабе 1:10 000 или 1:25 000 и в сопоставлении, с фактическими (а не средними) урожаями; б) ежегодных данных о состоянии планировок, ходе промывных поливов, работе дренажно-коллекторных сооружений, полученных урожаях и выпадах сельскохозяйственных культур на вновь осваиваемых массивах. Эти функции должны быть возложены на специальную мелиоративную службу и на центры мелиоративного контроля и прогнозов.
Выполнение всех этих задач нуждается в применении современных технических средств, дающих быстрые ответы: быстрых и точных методов анализа почв, аэрометодов и машинной дешифровки снимков, телевизионных камер, записей на перфоленты или на магнитофонную пленку с последующим применением электронно-счетных механизмов. Этим путем за две-три недели можно получать достоверную информацию о контурах засоленности, влажности почв и грунтовых водах, ходе сельхозработ, состоянии растений и т.д. Без этого составление водно-солевых балансов мелиоративный контроль, прогнозы и руководство мелиоративным процессом будут, как и теперь, недостаточными и борьба с засолением почв осложнится.
После завершения рассолительных мелиораций в оросительных системах, обеспеченных работающим дренажем и поливной водой, с хорошо выровненными полями наиболее легко управляемым компонентом солевого баланса является отток солей с дренажными водами. Это можно видеть из следующей схемы взаимоотношения водного и солевого баланса:
J*C = Q*С1 + Qdr*C2,

где J - все виды притока оросительных вод,
с - концентрация солей в оросительных водах,
Q - естественный отток грунтовых вод,
С1 - концентрация солей в естественно оттекающих грунтовых водах.
С2 - средневзвешенная фактическая минерализация грунтовых вод почв поля,
Qdr - дренажный отток (без сбросных вод),
Ck - критическая концентрация солей в грунтовых водах.
В бездренажных условиях судьба оросительной системы зависит как от величин J и C, так и особенно от величин Q и C1. Вторичного засоления орошаемой территории не произойдет, если благодаря высокой естественной дренированности отток солей будет больше, чем их приток, т.е. если величина J*c<Q*С1. В условиях плохой естественной дренированности запасы и приток солей выше их выноса, т.е. J*c≥Q*С1, и это вызывает декомпенсацию режима грунтовых вод, подъем их уровня, засоление и заболачивание почв.
Вводя искусственный дренаж Qdr и отводя соли грунтовых вод C2 промывками и дренажной сетью Qdr, мы превращаем накопительный солевой баланс в рассолительный:
J*C<[Q*C1 + Qdr*C2].

В ходе успешной мелиорации величины C1 и C2 после возможного подъема под влиянием выноса солей из почв в грунтовые воды в последующем должны уменьшиться и приблизиться к критической минерализации грунтовых вод Cк, свойственной данной территории, а в пределе - к минерализации поливных вод. Как это очевидно, все определяется в солевом балансе орошаемых засоленных почв исходной засоленностью, а затем успехом промывок на фоне дренажа, т.е. концентрацией и объемом воды, выводимой искусственным дренажем. Именно это ведет к опреснению почв и грунтовых вод, т.е. к завершению мелиорации.
Удобным показателем для грубой оценки хода мелиоративного процесса служит индекс водно-солевого баланса - WSB, предложенный нами в 1966-1967 гг. Критическая минерализация грунтовых вод Cк в случае нормального завершения процесса рассоления в хлоридно-сульфатных геохимических провинциях должна быть равна примерно 2-3 г/л. При нормальной минерализации оросительных вод 0,3 г/л отношение 3:0,3=10 и будет индексом водно-солевого баланса (WSB). При критической минерализации 2 г/л индекс будет равен 6,66. В этом случае дренаж, чтобы поддерживать индекс WSB на уровне 10-6 (после завершения мелиоративного периода), должен выводить грунтовые воды в объеме около 10-15% от подачи на поля. Оросительные воды щи этой могут упариватьcя только в 10-6,6 раза иначе концентрация грунтовых вод возрастает до размеров более 2-3 г/л, а это повлечет засоление почвы.
Если мелиоративный индекс равен не 10, а 15, это значит, что произошло накопление солей в грунтовых водах до 4,5 г/л, т.е. промывки и дренаж не сработали и нужно увеличить на 5% сток в дренаже по отношению к водоподаче. При подъеме фактической концентрации грунтовых вод в почвах до 6 г/л индекс увеличивается до 20(6/0,3=20), что означает необходимость усиления промывных поливов, увеличения норы оросительной воды и вывода грунтовых вод с 100 в два раза, т.е. до 20% водоподачи на массив.
Степень допустимого упаривания оросительных вод зависит от концентрации и токсичности солей в них. Если концентрация солей в оросительных водах выше 0,3 г/л, то в нашем примере приходится набрасывать на каждый грамм солей дополнительно около 5% необходимого вывода растворов солей дренажным стоком. Общая зависимость величины дренажного стока в эксплуатационный период работы оросительной системы представляется в итоге в следующем виде:
Х = 5 * С + С2 * WSB/Ck,

где X - необходимый дренажный сток,в процентах от водоподачи на массив,
WSB - индекс водно-солевого баланса поля (остальные обозначения те же).
Наш пример относился к хлоридно-сульфатному засолению. При сульфатном засолении, как, например, в Фергане или Бухаре, критическая минерализация может быть около 6 г/л. В этом случае при той же минерализации оросительных вод индекс будет равен C1:С = 6:0,3 = 20. Допустимая кратность упаривания оросительных вод в этом случае равна 20, что будет иметь место в том случае, если двадцатая часть всей поданной на поля воды (5%) в виде эвапората, поступающего в дрены, будет регулярно уводиться дренажной сетью из пределов оросительной системы. Соответственно изменятся коэффициенты в подсчетах. И наоборот, в случае содового засоления норма дренирования должна быть значительно выше. Предположим, что критическая концентрация содовых грунтовых вод будет равна примерно 1 г/л (это надо дополнительно изучить). Тогда при минерализации оросительных вод 0,3 г/л и критической минерализации грунтовых вод около 1 г/л мелиоративный индекс будет равен 1:0,3=3,3. Это значит, что допустимая кратность упаривания в случае содовых геохимических провинций (без химмелиораций!) равна 3,3 раза. Отсюда следует вывод, что дренажный сток, чтобы поддержать концентрацию содовых грунтовых вод около I г/л при содовой оросительной воде 0,3 г/л, должен регулярно выводить около 33% от объема водоподачи на поля. Как только концентрация грунтовых вод возрастет, потребуется значительное увеличение дренажного стока (в количестве 33% на каждый лишний грамм концентрации солей в содовой грунтовой воде массива). Так, например, при фактической осредненной концентрации содовых грунтовых вод массива C2 около 2 г/л в нашем примере 2*33/1 = 66% - Х составит уже сумму: 33% + 33% = 66%. Это означает, что около 66% объема подаваемой содовой оросительной воды нужно будет отводить дренажным стоком. Вот почему содовое засоление так вредоносно, и вот почему при содовых оросительных водах и содовом засолении грунтовых вод требуются регулярные (а не однократные) химические мелиорации, повторяемые через определенные интервалы. При химических мелиорациях содовых почв гипсом, серной кислотой или серой будут образовываться сульфаты натрия, их токсичность во много раз меньше соды; поэтому и норма эксплуатационного дренирования упадет до величины 5-6% водозабора.
Приводим иллюстрацию сложного процесса мелиорации и управления водно-солевым балансом содово-солончаковых почв Араздаянской степи в Армении. Эти почвы были подвергнуты химической обработке серной кислотой, капитальным промывкам и дренированию откачкой вертикальных насосных скважин. В течение мелиоративного периода (5-6 лет) соли почв были вмыты в грунтовые воды, их минерализация подскочила в первые 2 года с 3/2 г/л, до 16-8г/л, а затем была доведена до уровня 3-2 г/л. С этого времени (т.е. после 6-8 лет орошения с водоотводом дренажем 70-20% водозабора) устанавливался нормальный эксплуатационный период орошения массива (рис. 39, 40).
Аналогичные явления складываются на всех массивах, обеспеченных действующим дренажем и поливной водой.
Основные условия оценки мелиоративной ситуации территории -это массовые и статистически достоверные данные о минерализации грунтовых вод по массивам (дренажные воды разбавлены), знание типов солевой геохимии территории и установленные на достоверном материале данные о критических концентрациях грунтовых вод, рекомендуемых для эксплуатационного периода системы. В дальнейшем солевые балансы придется разрабатывать отдельно для токсических ионов (SO4, Cl, нсо3, СО3). Ho это уже детализация проблемы.
Второе, что вытекает из рассмотренного выше, это исключительное определяющее значение активного дренажа в успехе мелиорации, в геохимической судьбе и в продуктивности оросительных систем.
Управление водно-солевым балансом при орошении
Управление водно-солевым балансом при орошении

Сооружение эффективного дренажа и его умелое использование на системах, подвергнувшихся (и угрожаемых) вторичному засолению, - главная и неотложная задача современности. Это должно найти специальное место в перспективах развития мирового сельского хозяйства. Строительство оросительных систем обходится очень дорого. Вовлекаются в орошение земли, в той или иной степени всегда засоленные или склонные к засолению. Поэтому строить оросительные системы в аридных странах без дренажа - это значит терять их продуктивность, затраченный труд и средства.
Мы рассмотрели здесь нормы эксплуатационного (после мелиоративного) дренажного стока, регулирующего солевой режим орошаемых почв. Для оценки нора дренажного стока в промывной мелиоративный период следует пользоваться показателем необходимости опреснения фактических грунтовых вод до уровня критической (желаемой) концентрации солей в них. При этом за основу можно принимать показатель отношения С2/Скр. Например,при хлоридно-сульфатном засолении критическая концентрация Скр = 2-3 г/л. Если грунтовые воды, связанные через капиллярную кайму с почвой (~2-2,5 м глубины), имеют, предположим, минерализацию C2 = 15 г/л, то в нашем примере индекс необходимого их опреснения будет равен 15:2-3 = 7,5-5. Это значит, что минерализованные грунтовые воды в данном случае необходимо разбавить и заменить последовательно объемами поливной воды, равными 5-7,5 объема скважности грунта. При 45% скважности грунта для опреснения метрового слоя грунтовых вод с концентрацией 15 г/л на каждом гектаре поля потребуется пропустить через промывки и дренажную сеть следующие объемы оросительной воды:
W= 4500-5(7,5) = 22500 ( 33750) м3/гa

Если эти объемы воды в результате промывок и орошения пройдут через метровый слой водоносного горизонта в дренажные устройства, то минерализация грунтовой воды приблизится, теоретически говоря, к концентрации 2-3 г/л (см. рис. 39). К этой величине объема воды, естественно, приходится прибавлять объем воды, необходимый для промывания самой почвы и удаления солей из нее(см.выше),т.е. еще от 2 до 10 тыс. м3/га.
На опыте Араздаянской степи Армении разработана номограмма (см. рис. 40), показывающая на фоне вертикального дренажа теснейшую зависимость норм промывного дренирования (в % от водозабора), минерализации грунтовых вод и оросительных (откачанных) вод. В этих условиях, типичных дай районов сильного сульфатно-содового засоления, как следует из рис. 39 и 40, норма вывода оросительных и дренажных вод тем выше, чем больше начальная минерализация грунтовых и особенно оросительных вод и колеблется от 5-10% в случае наиболее пресных вод до 100% и выше при высокой минерализации оросительных (8—10—13 г/л) или грунтовых вод (7-8 г/л). При постепенном опреснении грунтовых вод и сближении их концентрации с критической концентрацией норма водоотвода - дренирования - опускается до величин 30-35 и затем 20-15%.
Действительные объемы воды, необходимые для промывки почв и соленых грунтовых вед могут оказаться большими, т.к. здесь не учтены потери на испарение и транспирацию, неравномерность засоления и др. После того как грунтовые воды оросительной системы достигли критических (и более низких) концентраций (2-3 г/л), а почвы опреснены на глубину 1-2 м до 0,2-0,3%, целесообразно переводить оросительную систему на нормальный эксплуатационный режим, как это охарактеризовано выше; возможно, снизить норму дренажного стока примерно до 10% от водозабора, держать уровень грунтовых вод на меньшей глубине (1,5-2 м) в целях использования их на подпочвенное орошение, уменьшая соответственно число или нормы вегетационных поливов. Примеры такого режима уже известны на некоторых оросительных системах России.