Использование подземных вод для орошения

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Использование подземных вод для орошения

27.07.2020

Эти исследования охватывают смежную область мелиорации и традиционного раздела гидрогеологии, занимающегося вопросами поисков, разведки и оценки запасов подземных вод.

Специфика мероприятий но использованию подземных вод для орошения заключается в том, что этот вопрос должен решаться при составлении проекта мелиорации, учитывая различные требования к качеству оросительной воды, влияние отбора подземных вод на речной сток п другие элементы окружающей среды. Далеко не все эти вопросы решены, хотя использование подземных вод для орошения земель аридной зоны имеет многовековую историю.

Использование подземных вод для орошения земель обсуждалось на IV и IX Международных конгрессах но ирригации и дренажу, состоявшихся соответственно в Алжире в 1963 г. и в Москве в 1975 г.

В генеральном докладе М. Битуна обобщены многочисленные сообщения специалистов разных стран. Приведем некоторые выводы из этого доклада:

— в большинстве стран эксплуатируется лишь небольшая часть имеющихся запасов подземных вод. Предпочтение отдается использованию подземных вод для коммунального и промышленного водоснабжения, однако растет их использование и для орошения;

— потребности в воде для орошения определяются, как правило, на основе климатических, почвенных и других факторов и выражаются объемом воды, необходимым в течение периода максимального и среднего водопотребления с учетом принятого коэффициента полезного действия (КПД) оросительной системы. Расчетные потребности в воде должны удовлетворяться в течение 8— 9 лет из 10, КПД оросительной системы может колебаться от 30 до 70%- По этим исходным данным определяется объем отбора подземных вод и конструкция скважин;

— для прогноза режима подземных вод в различных условиях их эксплуатации широко применяется моделирование с использованием ABM и ЭВМ. Применение математических моделей возможно как в условиях, когда сложные физические явления изучены достаточно, так и при отсутствии представлений о механизме явлений. Целесообразно создавать модель в процессе исследований, что позволит избежать сбора ненужных данных. Предпочтительнее создание математических моделей, учитывающих различные варианты эксплуатации, изменение граничных условии и т. д. и этим позволяющих использовать ее и для управления режимом водоносных горизонтов в период эксплуатации;

— частичный отбор подземных вод позволяет освободить объем для аккумулирования их с целью удовлетворения «пиковых» потребностей. Таким образом, правильная эксплуатация ограниченных ресурсов подземных вод в сочетании с поверхностными и использование аккумулирующих возможностей водоносных горизонтов способствуют повышению водообеспеченности оросительных систем;

— необходимы учет снижения производительности скважин в процессе эксплуатации и бурение дополнительных скважин с планированием соответствующих эксплуатационных затрат;

— правильно предусмотренный дренаж и облицовка каналов позволяют уменьшать влияние инфильтрации оросительных вод на изменение качества воды водоносных горизонтов.

Одной из стран, в которых подземные воды широко используются для орошения, является США, где подземными водами орошается около 49% поливных земель.

Использование подземных вод для орошения определяется в основном экономическими соображениями. Например, в штате Луизиана для орошения привлекаются воды р. Вермилион, в засушливые годы, когда поверхностная вода имеет минерализацию 2— 3 г/л, для полива применяют подземные воды.

Несмотря на снижение уровней и увеличение при этом глубины отбора воды стоимость 1 м3 воды не повысилась, так как в связи с техническим прогрессом экономически оправданная глубина подъема воды постепенно увеличивается.

В результате интенсивного отбора подземных вод запасы их во многих орошаемых районах США, по данным Б.С. Маслова и Е.А. Нестерова, близки к полному истощению (южная часть Высоких равнин — штаты Техас и Нью-Мексико; долины Песок и Солт-Флэт в Техасе; Санта-Ана, Антилоп и Файрфилд в Калифорнии и др.). По этой причине в долинах Берегового хребта (район Вентурин, штат Калифорния) произошла интрузия морских вод в водоносный горизонт, что вынудило прекратить работу ряда водозаборных скважин. Одним из мероприятий по борьбе с истощением запасов подземных вод в США является искусственное их восполнение. Эта проблема рассматривается в специальном разделе настоящего труда.

Важным вопросом проблемы использования подземных вод для орошения является пригодность их для этой цели. Неблагоприятное качество оросительной воды может привести к следующим последствиям: оказать непосредственное токсичное влияние на сельскохозяйственные культуры; вызвать засоление или осолонцевание почвы, приводящее к тем же последствиям; снизить водопроницаемость и ухудшить структуру почвы вследствие накопления в ней ионов натрия.

Рассматриваемому вопросу посвящена обширная литература, содержащая весьма противоречивые рекомендации. Это явление закономерно, так как далеко не все авторы при постановке исследований учитывают весь комплекс факторов (общую минерализацию, химический состав воды, степень «сбалансированности» содержания различных ионов, наличие естественной или искусственной дренированности почв, их водно-физические свойства и солевой состав, устойчивость растений по отношению к солям в разные фазы вегетации, климатические условия, применяемый режим орошения и т. д.). Этот вопрос может служить предметом специального обзора. Ограничимся данными лишь по некоторым странам.

В США оросительную воду оценивают в зависимости от электропроводности, минерализации, содержанию в ней натрия и бора. Кроме вредного воздействия на растения, натрий, как известно, ухудшает водно-физические свойства почвы; бор в 100 раз токсичнее хлора; последний в 2 раза токсичнее сульфатов. Классификации подземных вод, используемых для орошения в США, приведены в табл. 12—14.
Использование подземных вод для орошения

Вода I класса пригодна для орошения всех культур на всех почвах, вода II класса снижает урожай наиболее чувствительных к солям культур, при применении воды III класса отмечается гибель или снижение урожайности всех культур.

Обзор критериев пригодности воды для орошения, применяемых в США, выполнен Н.К. Бессеребрениковым. Им приведены, в частности, данные Лаборатории но исследованию засоления почв, предлагающей оценивать степень, до которой почвой будет адсорбироваться натрий из воды при равновесном состоянии по показателю SAR — натриево-адсорбционному отношению (ммоль/л).

При SAR менее 10 — опасность осолонцевания почв малая, при 10—18 — средняя, при 18—26 — высокая, при более 26 — очень высокая.

Дополнительный эффект от наличия резервов кальция в почвах учитывается «выверенным» натриевым адсорбционным отношением, используемым некоторыми лабораториями США.

где рНс — расчетная величина, учитывающая сумму катионов (Ca2++Mg2+) и анионов (СО3+НСО-3), определяемая по формуле

где рКг и рKc — отрицательные логарифмы соответственно второй константы диссоциации угольной кислоты и константы растворимости кальцита; р (Ca + Mg) и рАlк — отрицательные логарифмы мы соответственно молярной концентрации (Ca + Mg) и титрационной щелочности (Alк).

Абсолютные значения слагаемых приведены в табл. 15.

При рНс более 8,4 в почве создаются условия, благоприятные для растворения извести, а при рНс менее 8,4 появляется тенденция к выпадению извести при фильтрации поливной воды.

При SAR менее 6 осолонпевання не ожидается; при 6—9 возможно постепенное накопление солей в почве; при более 9 может произойти осолонцевание почв.

Для предотвращения дисперсии почвы, по рекомендации Бюро мелиорации США, оросительные воды должны содержать не менее 20 мг/л кальция, а норма внесения гипса 90—450 кг на 1230 м поливной воды.

Большое внимание оценке качества оросительной воды уделяется в Индии, где подземными водами поливается 33,7% площади орошаемых земель. Оценка воды производится по минерализации, соотношению содержания натрия с другими катионами, концентрации бикарбоната и содержанию бора. При этом используется также показатель SAR.

Проблема использования подземных вод для орошения является многогранной и включает вопросы прогноза и борьбы с их загрязнением, изучение влияния подземных вод на химический состав речных вод и др.

Наблюдения, проведенные в уезде Долж (CPP) в период 1966—1973 гг., показали, что на орошаемых площадях содержание нитратов в грунтовых водах зависит от количества вносимых минеральных удобрений. Вследствие загрязнения на 10% площади грунтовые воды стали непригодными для поливов, а на 31% они вызвали интенсивное засоление почв.

Аналогичное загрязнение грунтовых вод установлено на орошаемых землях в долине Лас-Вегас в штате Техас (США). Район сложен аллювием, содержащим несколько водоносных горизонтов. На глубинах 76—305 м залегают напорные воды, используемые для орошения и водоснабжения. В период наблюдений (1968—1973 гг.) отмечено интенсивное загрязнение грунтовых вод долины хлором, сульфатами, нитратами и нитритами, прослеженными до глубины 50 м. Для борьбы с загрязнением подземных вод предложено рациональное использование водных ресурсов, дополнительная подача поверхностной воды на орошение и другие мероприятия.

Примером роста минерализации речных вод но мере развития орошения является бассейн р. Колорадо, где сток реки на 40% используется для ирригации. В 1905 г. при площади орошаемых земель в бассейне 364 тыс. га, средневзвешенная минерализация речных вод равнялась 700 мг/л. К 1968 г. при увеличении орошаемой площади до 1,21 млн. га и соответствующем увеличении дренажного стока, среднегодовая минерализация речных вод составила 850 мг/л. По прогнозам Бюро мелиорации США в створе Империал Дам после осуществления всех проектов орошения в 2000 г. минерализация речной воды достигнет 1200 мг/л.

Солевой баланс р. Колорадо следующий. Естественный приток подземных вод, выходы родников, сток фонтанирующих скважин дают 47% поступления солей, возвратные поверхностные и подземные воды — 37%, испарение с поверхности водохранилищ — 12%, экспорт воды хорошего качества за пределы бассейна — 3%, сброс хозяйственных вод— 1%.

Для борьбы с ростом минерализации речных вод, по данным Г. Рэдосевнча и Г. Скогербоя, установлен лимит минерализации речной воды, передаваемой Мексике. Для каждого из штатов Верхнего Колорадо также увеличена максимальная минерализация воды, выносимой за их пределы. Меры борьбы: бетонирование оросительных каналов, строительство дренажа, предотвращающее контакт возвратных вод с засоленной подпочвой. Кроме того, в ближайшее время в штате Юта намечается ввести опреснительную установку производительностью 378 тыс. м3/сут для снижения минерализации сбрасываемых в Колорадо дренажных вод с орошаемых земель.

Борьба с загрязнением подземных и поверхностных вод в орошаемых районах является частью глобальной проблемы охраны окружающей среды. Эта проблема включает следующие основные вопросы: потерю воды в каналах; подпор и подъем уровня грунтовых вод; взаимодействие сооружений (каналов) с окружающей геологической средой.

Для контроля за потерями воды в процессе эксплуатации каналов предложено создание бетонных облицовок, использование пластмассовых, глинистых и бентонитовых покрытий, трубопроводов, лотков и т. д. Подробно разобран механизм засоления почв, возникающий при подпоре грунтовых вод на примере ирригационных систем Пакистана, Афганистана и Египта. Указано на необходимость создания горизонтального и вертикального дренажа и повышения контроля за качеством грунтовых вод. При рассмотрении взаимодействия сооружений с геологической средой особое внимание уделено явлению набухания в глинах, растворению гипса подземными водами, воздействию сульфатов на облицовку каналов, влиянию карстовых полостей на утечку воды.

Для решения вопросов рационального использования водных ресурсов в зарубежной практике широко используется вычислительная техника и математическое моделирование. В некоторых латиноамериканских научных центрах созданы математические модели для исследования природных ресурсов вообще и водных, в частности. Разработаны модели для расчета стока с водосборных площадей, исследования речных систем, управления режимом водохранилищ и т. д.

Оценивая перспективы моделирования, можно выделить новую и весьма обширную область применения вычислительной техники - решение проблемы водораспределения и орошения. Модели, описывающие эти процессы и реализующие их программы, объединены в так называемую группу моделей процессов орошения. В эту группу входят, например, модель выбора оптимального состава культур для данной орошаемой территории, модель комплектования графика гидромодуля, расчеты распределения и подачи воды на орошение.

Рассматриваемая программа расчета этих графиков занимает главное место среди прикладных программ, реализующих группу моделей процесса орошения.

Составление модели дли прогноза минерализации возвратных вод с орошаемых полей и содержания в них питательных веществ было выполнено в Бюро мелиорации США. В работе отмечено, что просачивание воды через почву в процессе полива культур приводит к очень сложным химическим воздействиям. Содержания минеральных и питательных веществ в возвратных водах и в общем стоке в условиях поливного земледелия с трудом поддаются прогнозированию. Для лучшего понимания проблем засоления была необходима математическая прогнозирующая модель. Целью работы было создание модели общего водопользования, с помощью которой можно было бы прогнозировать изменение засоления почв при осуществлении новых ирригационных проектов и минерализацию возвратных вод. Исследование относится к трем районам орошаемого земледелия — Бернал (штат Юта), Гранд-Валли (штат Колорадо) и Гедар-Блафф (штат Канзас). На данных районах проверялась прогнозирующая модель, описывающая качество воды по значению восьми ионов и общую минерализацию. Работа над построением модели показала, что для достижения хорошей имитации условий работы ирригационной системы необходимо хорошее качество и достаточное количество исходной информации и знание гидрогеологических условий района.

В результате исследований составлено специальное руководство, детализирующее последовательные процедуры, необходимые для применения модели к любой ситуации, когда требуется предсказать минерализацию возвратных вод при ирригации. Дана вычислительная программа и подпрограммы анализа данных. Технико-исследовательским центром Бюро мелиорации, совместно с Университетом штата Аризона, разработана модель качества возвратных вод. Модель использует большое число сложных подпрограмм для имитации ненасыщенного одномерного потока, двухмерного насыщенного потока к дренам, потребления воды растениями, преобразования азота, усвоения азота растениями, выпадения из раствора извести и гипса, спаривания ионов, ионного обмена и др. Подпрограммы разграничены, чтобы можно было предсказать неустановившееся и установившееся движение солен и азота с поверхности почвы в дрены. Эту модель можно соединить с моделью общего водопользования и обеспечить широкие возможности имитации водных бассейнов.

Кроме того, Университетом в штате Юта была разработана модель полевых испытаний для прогноза водного и солевого режима в почве в период между поступлением поливной воды и выходом воды в дрены или испарением и транспирацией. Развитие ее привело к созданию «упрощенной» и «детальной» моделей. Упрощенная модель предназначена для управления поливом, она требует минимума исходных данных и позволяет рассматривать в широком диапазоне факторы, влияющие на качество возвратных вод. Детальная модель базировалась на известных физических принципах и законах, управляющих движением воды через ненасыщенные почвы. Результаты исследований показали, что контроль за состоянием почвы требует точного контроля за водой в хозяйстве, особенно за глубиной промачивания и временем полива.

Модель была проверена в районе Вернал долины Эшлей-Валли, где ирригация началась почти сто лет назад. Установлено, что модель прогноза минерализации возвратных вод удовлетворительно имитирует наблюдаемые величины. Результаты использования описанной модели приведены также для областей Гедар-Блафф и Гранд-Валли.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: