«ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ РОССИИ Под общей редакцией академика РАСХН, доктора технических наук, профессора В.Н. Щедрина Новочеркасск 2009 УДК 333.93:630:631.6 ...»

Обобщение опыта орошения в степной зоне показывает, что орошение в таких природно-хозяйственных условиях целесообразно осуществлять на принципе циклических мелиораций (табл. 4.19), когда процесс производства сельскохозяйственной продукции основан на сочетании циклов богарного и орошаемого земледелия.

Умеренный таежно-лесной природно-сельскохозяйственный подпояс (зона избыточного увлажнения) Умеренный черноземно-степной природно-сельскохозяйственный подпояс (зона неустойчивого увлажнения) Умеренный черноземно-степной природно-сельскохозяйственный подпояс (зона недостаточного увлажнения) Предкавказская провинция (подождевание, полузасушливая, полувлажная) Заволжская провинция (полузасушливая и засушливая) Южно-Украинская провинция Манычско-Донская провинция тые почвы и солонцоочень засушливая) вые комплексы Умеренный полупустынно-пустынный природно-сельскохозяйственный подпояс (зона незначительного увлажнения) Полупустынная зона (полусухая и сухая) Если рассматривать проблему регулярного орошения за весь период его существования на Юге Европейской части России, то оказывается, что на орошаемых массивах таких понятий, как регулярность и постоянство орошения существовать не может, а есть только цикличность, особенно если вспомнить о ежегодно списываемых из состава орошаемых земель сельскохозяйственных угодьях, находившихся в эксплуатации 15-20 лет, а затем резко снизивших свое плодородие.

Современные научные представления о создании устойчивых орошаемых ландшафтов наиболее полно отражены Л.В. Кирейчевой, согласно которой коэффициент мелиоративной нагруженности в степной зоне не должен превышать 0,3-0,5. Эти положения, на наш взгляд, полностью вписываются в идею цикличности орошения.

Анализ вышеизложенных материалов позволяет сделать обобщающий вывод о назревшей необходимости перехода к новой стратегии орошения – циклическому орошению. Данная стратегия подразумевает научно обоснованное использование сельскохозяйственного массива в орошаемом и богарном циклах, причем их продолжительность и сменяемость определяются особенностями многовекового процесса формирования данного типа почвенного покрова. Продолжительность цикла орошения может составлять от 4 до 6 лет.

При определении площади циклического орошения в структуре севооборота на следующий год следует учитывать закон нормального распределения вероятности обеспечения экологической безопасности на орошаемом участке. Таким образом, площадь циклически орошаемых полей в структуре севооборота – величина динамическая, которая зависит от текущего состояния почв, ротации севооборота и подлежит корректировке после завершения поливного сезона. Водоподача при циклическом орошении зависит от числа полей, переведенных в богарный цикл.

Продолжительности богарного цикла полей севооборота можно определить с помощью корреляционных моделей связи длительности богарного использования с уровнями состояния почв на полях.

Исходя из сравнительного анализа данных, следует, что при реализации стратегии циклического орошения идеология проектирования ОС нового поколения должна быть основана на блочно-модульной компоновке внутрихозяйственной оросительной сети.

Целесообразность блочно-модульной компоновки сети заключается в экономически и экологически выгодном использовании таких массивов, которые обладают естественной или антропогенной неоднородностью. При этом следует соблюдать основные принципиальные положения: в севооборотах предусматривать определенный набор засухоустойчивых и влаголюбивых культур с режимом орошения, обеспечивающим водосбережение и сохранение высоких уровней почвенного плодородия; в зависимости от зоны увлажнения каждое поле севооборота должно находиться в условиях искусственного орошения в течение 30-50 % продолжительности ротации принятого севооборота; водораспределительная сеть, оросительная техника и другое оборудование должно быть мобильного исполнения и так спроектированы и сконструированы, чтобы не только обеспечивать расчетный режим полива каждого поля севооборота, находящегося в стадии цикла орошения, но и работать всеми своими элементами в едином режиме.

Переход на блочно-модульный принцип компоновки сети позволяет на 40-50 % уменьшить общую потребность в строительных материалах; при строительстве закрытой ОС на 30-40 % сократить потребность в земляных и монтажных работах; из-за размещения значительной части закрытой сети на поверхности поля существенным образом улучшаются условия по уходу и ремонту.

4.7. Компенсационные мероприятия по снижению водной эрозии и загрязнения водных объектов 4.7.1. Концепция назначения компенсационных мероприятий Концепция назначениям компенсационных мероприятий по снижению водной эрозии и загрязнения водных объектов должна базироваться на законах и закономерностях устойчивого высокопродуктивного функционирования агроэкосистем, обеспечивающих системный подход к применению комплекса мероприятий на ландшафтной основе. За счет организации рационального функционирования биологического и биогеохимического круговорота веществ в агроландшафте – стабилизируется и, по возможности, улучшается агроэкологическое состояние земель, водных объектов.

Основой системы земледелия на ландшафтном уровне с назначением компенсационных мероприятий является оптимальная структура угодий и рациональная почвоводоохранная организация территории.

При оптимизации структуры угодий в агроландшафтах решаются вопросы рационального использования земель сельскохозяйственного назначения, лесных угодий и выделяются: охранные зоны рек и водоемов, места обитания животных, редких исчезающих растений, земли существующего и перспективного природоохранного фонда, зоны рекреационного назначения, участки расположения полезных ископаемых, предусматривается мелиорация и консервация земель. Важной предпосылкой агроландшафтного обоснования при реализации стратегии адаптивного землеустройства является агроэкологическая типизация и зонирование земель по ресурсам тепла, влаги, почвенного плодородия, интенсивности эрозионных, дефляционных и других деградационных процессов. Для каждого агроландшафта соотношение природно-хозяйственных угодий должно быть индивидуальным. Принципиально важно не только определить оптимальное соотношение угодий, но и оптимальную структуру их размещения на территории [35].

В условиях резких балансовых изменений в структуре агроландшафтов снижение или предотвращение отрицательных последствий интенсивного ведения сельскохозяйственного производства возможно путем оптимизации параметров и соотношений его составных частей, и в первую очередь пашни, сенокосов, пастбищ и других угодий. После выделения земель сельскохозяйственного назначения формируются противоэрозионная, противодефляционная инфраструктуры, определяются способы, приемы, технологии мелиорации земель. Осуществляется подбор культур, формируются севообороты, разрабатываются технологии возделывания сельскохозяйственных культур, адаптированные к местным почвенно-климатическим, рельефным и гидрологическим условиям, совершенствуется структура посевных площадей.

В основу назначения компенсационных мер адаптивно-ландшафтных систем земледелия положены следующие основные принципы [35,36]:

1. Системный подход к построению. Предполагает целостный (системный) комплекс технологических воздействий, который действует в агроэкосистемах разного уровня организации, имеет множественные связи и направлен на снижение диффузного стока до контролируемого уровня, сохранение и восстановление плодородия почв, охрану окружающей среды, получение стабильной урожайности сельскохозяйственных культур. Комплексы компенсационных мероприятий (агротехнологии, система лесных насаждений, лугомелиорация, создание простейших гидротехнических сооружений) органично вписываются в принципиальный каркас агроакваландшафта с учетом особенностей его морфогенетической и позиционно-динамической структуры, геохимической организации, взаимосвязи действующих процессов.

2. Адаптивность технологических воздействий к условиям местности (рельефу, почве, климату). Основывается на необходимости тщательного подбора компенсационных мероприятий к природным (ресурсным) особенностям основных структурных элементов агроакваландшафта.

3. Нормативная предопределенность. Вытекает из целесообразности уровней антропогенных воздействий на агроакваэкосистемы с целью избежания активации неравновесных, необратимых процессов в них и поддержания агроландшафта в экологически устойчивом состоянии.

4. Пространственно-функциональная неоднородность. Обусловлена необходимостью поддержания экологической полифункциональности – многообразия типов и уровней связей как в пределах агроэкосистем, так и между агросистемами разного типа: пашней, лесом, лугом, водными объектами.

Предусматривает поддержание биоразнообразия и создание искусственной инфраструктуры средостабилизирующего назначения.

5. Природоохранная направленность. Необходимость применения системы компенсационных мер, которые позволят свести до допустимых пределов потери почвы от эрозионных, дефляционных процессов, исключить загрязнение дренажных и поверхностных вод, сопредельных экосистем нежелательными элементами, веществами, уберечь водные источники от различных видов загрязнения.

В связи с вышеизложенным, основными направлениями в назначении компенсационных мероприятий на сельскохозяйственных угодьях (в системе адаптивно-ландшафтного земледелия) являются:

- формирование агроакваландшафтов как единства природных и хозяйственных компонентов, с использованием (и восстановлением) в агроэкосистемах базовых элементов саморегуляции. Средством рационального управления режимами функционирования агроландшафтов выступает система компенсационных мероприятий, ориентированная на достижение агроэкологически допустимого компромисса между природным потенциалом земель и социально экономически обусловленным характером сельскохозяйственного производства [36];

- дифференциация земель по функционально-целевому назначению, поддержание экологической полифункциональности морфологически и генетически неоднородных элементов агроландшафта, обеспечивающей средостабилизацию, средовосстановление и биоразнообразие (оптимальное соотношение угодий – пашня, луг, лес, водные и другие объекты, природоохранная инфраструктура – ремизы, рекреации, заповедники);

- типизация земель по ресурсам почвенного плодородия, тепла, влаги с целью эффективного использования ресурсного потенциала каждого конкретного участка земель в единой системе компенсационных мер снижения поверхностного стока;

- создание экологически безопасной конструкции агроландшафта.

Формирование эколого-стабилизирующих рубежей, противоэрозионной и противодефляционной инфраструктур с учетом экологической емкости агроландшафта, интенсивности эрозионных, других деградационных процессов;

- рациональное размещение культур в пространстве (по территории землепользования) и во времени, исходя из особенностей агроландшафта и потенциала растений. Адаптивный подбор культур и технологий их возделывания к местным условиям (рельефу, почвам, тепловлагообеспеченности);

- нормативная обеспеченность технологических воздействий на почву, растения и атмосферу для получения определенного объема продукции и сохранения экологической устойчивости агроакваландшафта. Формирование базы агроэкологических ограничений;

- мониторинг и ресурсно-экологическая оценка агроландшафта.

4.7.2. Проектирование первичных территориальных единиц Исследования, проведенные в степной зоне юга Европейской территории РФ, позволили выявить общую тенденцию в пространственном размещении поясов смытых почв. Так, слабосмытые почвы занимают склоны от 0,5до 2,5-3,0. Ширина полосы, занимаемая слабосмытыми почвами, составляет в среднем 480-550 м. Среднесмытые почвы занимают преимущественно склоны от 3 до 5, ширина полос этих почв колеблется в пределах от 150 до 210 м. Сильносмытые почвы располагаются в нижней части склона крутизной более 4,5 и ширина их пояса не превышает 100-110 м. Интенсивность проявления современных эрозионных процессов зачастую не совпадает с границами распространения конкретной степени смытости, что в конечном итоге приводит к увеличению площадей смытых почв и изменчивости границ степеней смытости [37].

Агроландшафтная полоса должна рассматриваться и выделяться с позиции динамической ландшафтной структуры, чтобы в ее пределах интенсивность современных эрозионных процессов была однотипной по её динамическим показателям. В пределах одной ландшафтной полосы потоки однонаправлены, а градиент их может изменяться только в зависимости от крутизны и экспозиции склона. Границы между ландшафтными полосами приурочены к определенным каркасным линиям рельефа: водораздельные линии, склоны определенной крутизны, расстояние от водораздельной линии и др. Из-за большой пестроты природных факторов размеры ландшафтных полос, отвечающие перечисленным требованиям, колеблются от 3-5 до 50-60 га [38].

Для повышения точности проектирования границ линейных рубежей сельскохозяйственные угодья по величине расчетного смыва, производимого стоком талых вод и ливневых дождей, группируются в семь классов эрозионной опасности:

I – незначительная (до 2,5 т/га);

II – слабая (2,6-5,0 т/га);

III – умеренная (5,1-10,0 т/га);

IV – средняя (10,1-30,0 т/га);

V – сильная ( 30,1-50,0 т/га);

VI – очень сильная (50,1-70,0 т/га);

VII – катастрофическая (>70,0 т/га).

Эти классы земель объединяются в четыре агроландшафтные полосы.

I – занимает склоны крутизной от 0,5 до 2,5° (I и II классы эрозионной опасности). Почвенный покров представлен неэродированными и слабоэродированными почвами в соотношении 40 и 60 % от площади полосы; II – занимает склоны крутизной от 2,6 до 4,5° (III и IV классы эрозионной опасности). Почвенный покров представлен слабо- и среднеэродированными почвами в соотношении соответственно 60 и 40 %; III – занимает склоны крутизной > 4,5°. Сюда относят V и VI классы эрозионной опасности. Почвенный покров представлен средне- и сильноэродированными почвами (60 и 40 %). К VII классу эрозионной опасности относятся слабо- и незадернованные склоны балок, борта оврагов. Его условно можно отнести к IV ландшафтной полосе.

По ширине ландшафтные полосы существенно различаются между собой. Исходя из соотношения площадей смытых почв по почвенноэрозионным зонам, можно примерно указать, что первая агроландшафтная полоса будет занимать 50-60 % поверхности склона, вторая – 30-35, третья – 10-15 и четвертая до 3-5 %. Но это идеальный вариант расположения и сочетания агроландшафтных полос. В природе все намного сложнее. Не всегда в пределах овражно-балочного водосбора, а тем более лощинного и ложбинного, происходит последовательная смена одной агроландшафтной полосы другой. Может оказаться так, что в пределах проектируемого водосбора выделяют только I и II агроландшафтные полосы или II и III. Но может оказаться и так, что первая агроландшафтная полоса отделена от третьей узкой и прерывистой второй.

Очень часто конфигурация агроландшафтных полос имеет неправильную форму (в одних местах расширяясь, в других – суживаясь). В таких случаях необходима корректировка, т.е. выравнивание границ полосы для того, чтобы в дальнейшем обеспечить контурно-параллельное размещение линейных рубежей.

Границы агроландшафтных полос должны быть закреплены рубежами первого порядка (стокорегулирующие, прибалочные лесные полосы, валы, канавы). В пределах первой агроландшафтной полосы проектируется система компенсационных мероприятий, за основу которой берется инженерный расчет по задержанию стока талых вод определенной степени обеспеченности (чаще всего 10 %).

Агроландшафтные полосы являются исходной технологической градацией, так как они охватывают близкие по плодородию почвы, однородные по крутизне экспозиции и форме склоны, имеют относительно одинаковые условия увлажнения, микроклиматические особенности. Поэтому они должны иметь строго определенный режим использования, набор сельскохозяйственных культур и приемов по стабилизации и повышению плодородия.

4.7.3. Противоэрозионная организация территории При планировании системы компенсационных мероприятий исходят из того, что в ходе процессов рельефообразования, а также под воздействием природных и антропогенных факторов на водосборных бассейнах разного ранга и их склонах сложились разные почвенно-климатические условия.

В приводораздельной части склонов крутизной до 2,5° почвы преимущественно несмытые и слабосмытые. Процессы эрозии здесь протекают слабо. Однако эта территория является ареной формирования стока, который, поступая на присетьевые участки склонов и в гидрографическую сеть, приводит к смыву почвы и размыву почвогрунтов, а также к выносу биогенных веществ в водные источники. Здесь компенсационные мероприятия должны быть направлены на максимальное ( агротехнические, лесо- и лугомелиоративные) задержание воды на месте или безопасный сброс в зависимости от природной зоны.

В присетьевой части образуется полоса средне- и сильносмытых почв, характеризующихся пониженным содержанием гумуса, ухудшенными воднофизическими и химическими свойствами и сильной податливостью эрозии.

Здесь в основном протекают процессы смыва (иногда и размыва) как за счет собственного стока, так и за счет подтока с вышележащей территории.

Поэтому компенсационные мероприятия должны быть направлены на защиту почв от смыва, восстановление и повышение плодородия.

В гидрографической сети протекают в основном процессы размыва и смыва, но имеются несмытые, слабо- и среднесмытые почвы, а также намытые почвы. Мероприятия на этих угодьях должны быть направлены на предохранение их от размыва и смыва.

Анализ противоэрозионной эффективности отдельных приемов и их сочетаний в целом по стране показал наиболее высокий эффект лесных полос в сочетании с простейшими гидротехническими сооружениями (валы, канавы, запруды) [39,40,41]. Было подтверждено, что современное почвозащитное земледелие может быть только рубежным. Это означает, что сокращение стока поверхностных вод и смыва почвы до безопасного уровня возможно путем специально устроенных рубежей – лесомелиоративных, гидротехнических и особенно их сочетаний. Таким образом, сущность противоэрозионной организации территории заключается в регулировании поверхностного стока, обработке почвы и посевов поперек склона.

С этой целью рекомендуется линейные элементы организации территории (границы угодий, полей и рабочих участков севооборотов, дорог, лесополос, валов-террас, валов-канав) размещать вдоль горизонталей по контурам или с незначительными отклонениями от них, но отклонения линейных элементов организации территории от горизонталей не должны создавать опасности размыва почв.

Правильно разместить линейные элементы организации территории склонных земель можно только в порядке внутрихозяйственного землеустройства с использованием плана землепользования с горизонталями и материалов почвенно-эрозионного обследования. В основе контурной организации территории лежит распределение земель по крутизне склонов и интенсивности проявления эрозионных процессов. Для этой цели используют картограммы крутизны склонов, эродированности почв и др.

М.И. Лопыревым [38] предложены способы размещения линейных элементов территории на склонах, которые показывают, что на эрозионноопасных землях прямолинейное размещение элементов территории чаще всего нецелесообразно, так как не отвечает требованиям снижения интенсивности смыва почв, формированию экологически однородных ландшафтных полос (рис. 4.12, а, б).

При прямолинейно-контурном размещении линейных элементов прямолинейные границы полей (рабочих участков) намечают вдоль основного направления горизонталей, причем на отдельных отрезках направление границ может быть изменено в соответствии с изменением направления горизонталей (рис. 4.12, в). При такой организации территории между изломами границ создаются условия для прямолинейной обработки.

Рис.4.12. Способы размещения линейных элементов: а – размещение линейных элементов поперек основного склона; б – прямолинейное размещение линейных элементов; в – прямолинейно-контурное размещение линейных элементов; 1 – горизонтали; 2 – линейные элементы Однако в местах самих изломов образуются клинья и огрехи, кроме того, на сложных склонах прямолинейные отрезки часто значительно отклоняются от изогнутых горизонталей, что может привести к возникновению стока и смыва почвы. Способ обычно применяют на рассеивающем типе склонов с крутизной до 3°.

При контурно-параллельной организации границы участков проектируются параллельно одной горизонтали, усредненной для данного массива пашни (рис. 4.13).

Этот способ применяют на сложных формах рельефа. К его недостаткам относится то, что он обеспечивает правильную обработку лишь вблизи этой горизонтали, а в других местах обработка будет вестись под углом к горизонталям.

Рис. 4.13. Контурно-параллельное размещение линейных элементов:

При контурном размещении линейных элементов границы участков и обработка проектируются строго по горизонталям (рис. 4.14, а).

Возможности применения этого приема ограничены, и хотя способ обеспечивает наилучшие условия для задержания стока и уменьшения смыва почвы, из-за непараллельности горизонталей между полосами образуются остаточные клинья и глухие борозды, которые обрабатываются отдельно.

В этом случае возможно контурное размещение линейных элементов с выведением корректирующих полос при обработке на края или в середину поля (рис. 4.14, б). Контурное размещение границ может дополняться проектированием внутри полей и рабочих участков буферных полос из многолетних трав (рис. 4.14, в).

Как уже было указано, основным положением противоэрозионной организации территории является требование к размещению линейных элементов и проведение агротехнических мероприятий поперек движения стока.

Однако при сложном рельефе, когда склоны в пределах одного поля или отдельно обрабатываемого рабочего участка имеют разную форму, а горизонтали непараллельные, выполнять это требование бывает достаточно трудно.

Рис. 4.14. Контурное размещение линейных элементов: а – размещение линейных элементов с выделением клиньев при обработке на края или в середину поля; б – размещение линейных элементов строго по горизонталям с образованием при обработке замкнутых огрехов и клиньев; в – размещение линейных элементов с контурно-буферной системой возделывания сельскохозяйственных культур; 1 – горизонтали; 2 – линейные элементы Кроме того, необходимо учитывать следующие правила [42]:

- центры контурных линейных элементов должны выходить за пределы рабочего участка (поля);

- при проектировании контурной обработки не следует допускать кривизну рабочих проходов агрегата с радиусом менее критического (60-70 м), если такая кривизна образуется, то необходимо обеспечить ее выход за пределы рабочего участка (поля);

- линейные элементы и трассы рабочих проходов агрегатов должны размещаться поперек движения стока с допустимыми отклонениями от горизонталей.

Размещение линейных рубежей тесно увязывается с агроландшафтными полосами (рабочими участками), которые выделяются по однородным геоморфологическим, почвенным и эрозийным условиям для проведения определенной системы почвозащитных мероприятий. Ширина контурной полосы выбирается из расчета ширины стока 10%-ной обеспеченности, кратности ширины захвата машинно-тракторных агрегатов и допустимого смыва почвы.

4.7.4. Система компенсационных мероприятий Представленная схема разделения территории водосборов на агроландшафтные полосы, в том числе по интенсивности проявления поверхностного стока, является основой для построения системы компенсационных мероприятий. Выбор компенсационных мероприятий не имеет однозначного решения, т.к. всегда можно подобрать несколько различных вариантов, которые обеспечили бы потери от поверхностного стока ниже допустимого уровня.

Основные требования, которым должна отвечать система компенсационных мероприятий, следующие:

- всесторонний учет природно-климатических факторов и зональных закономерностей формирования поверхностного стока;

- оптимальность соотношения организационно-хозяйственных, агротехнических, лесолугомелиоративных мероприятий и гидротехнических сооружений. Это позволит формировать компенсационные системы на основе энергосбережения;

- равнозначность всех приемов и мероприятий, составляющих систему.

Одни и те же приемы и мероприятия в зонах с различной интенсивностью проявления поверхностного стока могут нести различную функциональную нагрузку, что в значительной степени будет определять вероятность их применения;

- размещение элементов компенсационной системы следует проводить с учетом вертикальной (склоновой) микрозональности, т.е. на основании деления склона на агроландшафтные полосы. Например, с увеличением длины и крутизны склона усиливается насыщенность системы приемами, мероприятиями и т.д.;

- охват компенсационной системой всей эрозионно-опасной территории. Только в этом случае возможна эффективная борьба со смывом и размывом почвы;

- поддержание динамического равновесия агроландшафта и обеспечение его экологической устойчивости;

- сокращение поверхностного стока до допустимых пределов, воспроизводство почвенного плодородия, и на этой основе получение устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

В общем смысле система компенсационных мероприятий – это целостная совокупность элементов, находящихся во взаимодействии. Система основывается на связи между объединенными элементами. Элемент, не имеющий хотя бы одной связи с другими, не входит в рассматриваемую систему. Одни и те же элементы в зависимости от принципа объединения могут образовывать разные по свойствам системы. Поэтому системы в целом определяются не только и не столько составляющими элементами, хотя они имеют весьма существенное значение, сколько характеристиками связи между ними. Это основополагающее положение построения системы компенсационных мероприятий для различных почвенно-климатических зон. Характер этих связей конкретизируется следующими принципами: иерархичность, эмерджентность, целостность, внутренняя организованность, инвариантность и др. [43].

4.7.5. Система почвозащитных мероприятий для первой Первая агроландшафтная полоса занимает приводораздельные части ландшафта. Этот преимущественно склоны крутизной от 0,5 до 2,5°, интенсивно используемые в сельскохозяйственном производстве (зернопаропропашные севообороты). Основные виды деградации почвенного покрова – дегумификация, эрозия.

Потенциально возможные потери почвы от эрозии – от 3 до 4 т/га. Для данной агроландшафтной полосы характерно следующее распределение земель по степеням эродированности: 40 % неэродированных и 60 % слабоэродированных.

В качестве основных элементов организации территории были приняты система полезащитных и стокорегулирующих лесных полос, а также контурнополосное размещение сельскохозяйственных культур и агрофонов. Последнее – это универсальный прием, который одновременно выполняет задачи организации эрозионно-опасной территории, противоэрозионной агротехники и гидротехники.

Сущность данного приема заключается в том, что поле занимается не одной культурой, а двумя, и размещаются они не сплошными массивами, а чередуются между собой отдельными лентами-полосами шириной от 50 до 100 м, в зависимости от крутизны склона. Почвозащитный эффект его базируется на влиянии различных свойств подстилающей поверхности на впитывание, скорость стекания воды, снижение силы ветра в приземном слое. Чередование культур и агрофонов проводится так, чтобы в зимний период в полосах сменяли друг друга рыхлая (зябь) и уплотненная (посевы озимых культур, многолетних трав) пашня. Если по каким-либо причинам это невозможно сделать, то тогда одна полоса должна обрабатываться под зябь плугом, другая орудиями, оставляющими на поверхности почвы стерню и растительные остатки (плоскорез, чизель, «параплау» и др.).

В летний период одни полосы (например, четные) должны заниматься культурами сплошного сева (озимые, однолетние, многолетние травы и т.д.), другие (нечетные) – эрозионно-опасными (чистый пар, пропашные культуры).

Основная особенность этого мероприятия, выгодно отличающегося от других почвозащитных мер, заключается в том, что при его проведении не требуется специальных машин и каких-либо существенных изменений в приемах обработки почвы и технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.

Контурно-полосное размещение культур и агрофонов по сравнению со сплошным имеет целый ряд преимуществ:

1. Благодаря чередованию в полосах культур с различными почвозащитными свойствами, агрофизическими показателями обрабатываемого слоя, разными периодами сева и уборки резко уменьшается проявление поверхностного стока.

2. При контурно-полосном размещении культур и агрофонов достигается наибольшая выравненность почвенного покрова, рельефа, микроклимата, т.е. они совпадают и совмещаются с агроландшафтной полосой. Это создает условия для проведения весенне-полевых работ, одинаковых в пределах полосы, применения одинаковых доз удобрений и, в конечном итоге, обеспечивает получение устойчивого урожая.

3. Благодаря чередованию на поле полос низкорослых культур с высокорослыми, поздних с ранними, чистого пара с посевами создаются более благоприятные условия микроклимата.

4. При обработке полос в одном направлении вспашки в развал (по другому их обрабатывать не рекомендуется) через 4-5 лет на границах полос создаются напаши в виде валов с широким основанием. Они не препятствуют обработке почвы, посеву, уборке и служат дополнительным средством для задержания поверхностного стока.

В том случае, когда при контурно-полосном размещении культур и агрофонов проявляется поверхностный сток (особенно при наличии ложбин), в силу вступают специальные агротехнические приемы (лункование, бороздование, щелевание и др.). Это позволяет приостановить поверхностный сток внутри полос.

Таким образом, в качестве организации территории для первой агроландшафтной полосы выступает контурно-полосное размещение сельскохозяйственных культур и агрофонов. Валы, образующиеся на границах полос, «консервируют» рельеф, замедляют скорость водных потоков, осаждают мелкозем. Наиболее наглядно это происходит по потяжинам и ложбинам, в результате чего они постепенно сглаживаются, т.е. осуществляется «притирка» территории, занимаемой первой агроландшафтной полосой, и контурно-полосного размещения культур (агрофонов). Сочетания последнего со специальными агротехническими приемами позволяют полностью контролировать поверхностный сток, т.е. этих двух почвозащитных элементов достаточно для обеспечения почвозащитной, агротехнической и экологической эффективности при эксплуатации земель данной агроландшафтной полосы.

Схожий вариант системы компенсационных мероприятий предложен ВНИИЗиЗПЭ для Центрально-Черноземной полосы. Основу системы составляют стокорегулирующие лесные полосы по границам рабочих участков и буферные полосы на паровых полях, которые размещают поперек основного склона в зернопаровом и зернопаропропашном севооборотах. Площадь пашни не более 60-70 %.

4.7.6. Система почвозащитных мероприятий для второй Из земель, вовлеченных в интенсивный сельскохозяйственный оборот, в значительной степени подвержена процессам деградации вторая агроландшафтная полоса.

Ранее отмечалось, что она занимает склоны от 2,6 до 4,5-5°. Это межбалочное пространство преимущественно с прямым и рассеивающим характером водосбора. Основной вид деградации почвенного покрова – эрозия, которая проявляется через плоскостной смыв, плавно переходящий в линейный размыв (потяжины, ложбины).

Потенциально возможные потери жидкого поверхностного стока 40мм, твердого – до 20 т/га. Для того, чтобы контролировать процессы диффузного стока, необходима целостная система компенсационных мероприятий с высокой внутренней организованностью. В степной зоне юга Европейской территории РФ такая система может быть представлена: контурнополосным размещением сельскохозяйственных культур и агрофонов, применением внутри полос специальных агротехнических приемов, стокорегулирующими лесными полосами, усиленными валами-канавами (простейшие гидротехнические сооружения) [15].

Согласно полученным экспериментальным данным, взаимодействие приемов и мероприятий в рамках системы компенсационных мероприятий для второй агроландшафтной полосы характеризуется рядом критериев:

1. Сложностью внутреннего строения и внешних взаимосвязей. На систему могут оказывать влияние:

- наличие одного ведущего приема или мероприятия (монодоминантность) фактора, например, системы лесных полос и контурно-полосного размещения сельскохозяйственных культур (агрофонов);

- усиление взаимного действия приемов и мероприятий (синергизм).

Так, усиление стокорегулирующей лесной полосы простейшими гидротехническими сооружениями в виде валов-канав, а контурно-полосного размещения культур специальными агротехническими приемами многократно усиливает их водопоглощающую роль;

- заменяемость (замещаемость) факторов (антагонизм). При слое весеннего стока в 20-30 мм контурно-полосное размещение сельскохозяйственных культур и агрофонов способно практически полностью его поглотить без применения специальных агротехнических приемов (лункование, бороздование, щелевание и др.).

2. Неустойчивостью (нестационарностью). Действие лесных насаждений в первые 6-9 лет будет отличаться неустойчивостью до момента, когда межполосное расстояние между лесными полосами будет перекрываться взаимным их действием, или сочетание в полосах чистого пара и озимой пшеницы будет неустойчивым по отношению к ливневой эрозии до той поры, пока величина проективного покрытия почвы под посевами озимой пшеницы не достигнет 45-55 %.

3. Инерционностью (длительностью действия какого-либо фактора).

Например, щели, нарезанные по пласту многолетних трав после промерзания почвы с поверхности 4-5 см и заполненные соломой или каким-либо другим мульчирующим материалом, способны поглощать сток талых вод в течение двух лет. То же самое, но с гораздо большим сроком действия, относится к канавам, заполненным органическим заполнителем.

4. Адаптивностью (приспособляемостью). Системы способны относительно быстро реагировать на изменение внешних условий, например, особенности формирования поверхностного стока.

5. Универсальностью. В зоне совместного проявления эрозии и дефляции система компенсационных мероприятий должна быть универсальной по отношению к обоим видам деградации почвенного покрова, т.е. обеспечивать защиту последнего от смыва и выдувания по возможности одними и теми же приемами до контролируемых величин.

6. Кибернетичностью (саморегулируемостью). Это способность быстро восстанавливаться после экстремальных возмущений внешней среды до оптимального уровня.

Проведенные исследования позволили выявить соотношения между параметрами пространственного строения системы компенсационных мероприятий и количественными характеристиками поверхностного стока. В зависимости от слоя стока система на второй агроландшафтной полосе может быть завершенной или представлена ее вариантной формой. Так, при слое стока 60мм система должна состоять из всех элементов: контурно-полосное размещение культур, специальные агротехнические приемы, лесные полосы, усиленные простейшими гидротехническими сооружениями (табл. 4.20).

Оптимальная модель системы компенсационных мероприятий 1. Контурно-полосное размещение культур и агрофонов 2. Проведение специальных агротехнических приемов:

а) лункование, бороздование, поделка пропашных;

б) создание мелкого микрорельефа на чистых парах в летний период;

Водорегулирующие и прибалочные лесные полосы Простейшие гидротехнические сооружения:

а) на пашне в сочетании с контурнополосным размещением;

Примечание: «–» – мероприятие не проводится;

Оптимальная ширина контурных полос должна составлять 50-60 м при условии применения на водосборном бассейне контурно-полосного размещения культур и агрофонов, специальных агротехнических приемов. Внутрисистемное регулирование стока слоем 60-100 мм обеспечивают лесные полосы шириной 12-15 м, совмещенные с гидросооружениями, имеющими рабочую высоту вала 0,3-0,5 м, глубину канавы 0,5-0,7 м.

Расстояние между лесными полосами, усиленными валами-канавами, на склонах до 5° должно составлять 250-300 м, что соответствует расчетам ВНИАЛМИ, а облесенность пашни составит 5,1 %.

При меньших слоях стока возможно исключение из противоэрозионной системы 1-2 элементов или проведение специальных агротехнических приемов чересполосно.

4.7.7. Система почвозащитных мероприятий для третьей К третьей агроландшафтной полосе относятся склоны крутизной более 4,5-5,0°, примыкающие в нижней части к балочным землям. Интенсивность протекания эрозионных процессов высокая, что связано с «гофрированностью» склонов, т.е. наличием большого количества ложбин и лощин. Потоки воды, поступая с вышерасположенных участков, концентрируются в них, вызывая значительный смыв и размыв почвы.

В качестве элемента организации территории выступали стокорегулирующая и прибалочная лесные полосы, совмещенные по тальвегу ложбин и лощин с гидротехническими сооружениями в виде валов, канав, запруд. Между лесными насаждениями сельскохозяйственные культуры (агрофоны) располагались в виде контурных полос шириной 40-50 м, но с таким расчетом, чтобы непосредственно у прибалочной лесной полосы размещались многолетние травы. Из специальных агротехнических приемов применялись только те, которые способствуют увеличению водопоглощения: щелевание, кротование, почвоуглубление и др. Создание водозадерживающего нанорельефа оказалось действенным только в самом начале зарождения ложбин. По мере углубления тальвега и нарастания крутизны склона микролиманы, лунки, борозды не оказывали заметного влияния на сокращение стока талых вод и смыв почвы. Более того, именно в этих случаях проявлялся «лавинный эффект» сброса воды при переполнении микроемкостей, что вызывало усиленный смыв почвы.

Особенно значима роль полосы многолетних трав, непосредственно прилегающей к прибалочной лесной полосе. Во-первых, она кольматирует твердый сток, поступающий с вышерасположенных участков, предохраняя тем самым гидротехнические сооружения и водные источники от заиления и увеличивая продолжительность их функционирования. Во-вторых – надежно противостоит размывающему действию концентрированного потока воды по тальвегу ложбин, препятствуя образованию линейных форм размыва. Втретьих – служит водотоком для безопасного сброса излишков талых и дождевых вод. В-четвертых – стабилизирует и улучшает свойства почвы. Все вышеперечисленные качества полосы многолетних трав перед прибалочной лесной полосой указывают на ее незаменимость.

В отношении такого важного момента конструирования компенсационной системы на третьей агроландшафтной полосе, как облесенность пашни, несложные расчеты показывают, что она должна составлять 6-6,5 %.

4.7.8. Компенсационные мероприятия на овражно-балочных Земли овражно-балочных систем относятся к категории ограниченно используемых в сельскохозяйственном производстве и имеют низкую продуктивность (IV агроландшафтная полоса). Используются они преимущественно как суходольные пастбища с большой нагрузкой, что приводит к выбиванию и разрушению естественного травостоя. Их биологическая продуктивность в степной зоне не превышает 3-7 ц/га сена низкого качества.

Из-за постоянной перегрузки, отсутствия надлежащего ухода, развития процессов эрозии происходит процесс ухудшения видового разнообразия, антропогенного опустынивания. Процесс эрозии сопровождается, с одной стороны, смывом (размывом) почвогрунта, с другой – аккумуляцией наносов в присетьевой и гидрографической частях водосбора. Создание аккумулирующих систем в оврагах и балках способствует снижению процесса размыва путем полного или частичного осаждения твердого стока. Образование мощного тела наносов непосредственно в оврагах или по участкам балок способствует деконцентрации донных потоков, осветлению вод местного стока [44].

Исходя из этого система компенсационных мероприятий овражнобалочных земель должна строиться несколько иначе, чем на пахотных склонах: в основу должны быть положены элементы компенсационной системы, обеспечивающие максимальную аккумуляцию твердых наносов.

Создание такой системы должно включать следующие виды работ:

- заравнивание промоин на приовражных, прибалочных участках и берегах балок;

- выполаживание действующих оврагов с одновременным устройством гидротехнических сооружений, предотвращающих возникновение новых размывов;

- устройство распылителей стока и противоэрозионных гидротехнических сооружений (водозадерживающих и водоотводящих валов, дамб, перемычек, донных сооружений);

- создание приовражных, прибалочных лесных насаждений по берегам оврагов и балок, а также илофильтров по днищу балок;

- нарезку террас по откосам балок с последующим их залужением или посадкой древесных пород.

С позиции иерархической упорядоченности составляющих элементов данная система выглядит следующим образом: организация территории осуществляется через выполаживание действующего оврага, размещение лесных полос (кулис), простейших гидротехнических сооружений по горизонталям рельефа, илофильтров по дну гидрографической сети, нарезка террас различного назначения на склонах более 5°. При посадке древесных насаждений особое внимание обращается на породный состав, на свойства почвы и условия, способствующие их лучшей приживаемости. Простейшие гидротехнические сооружения для лучшего их функционирования совмещаются с лесными полосами. Фитоформы травянистой растительности в виде трехкомпонентной смеси применяются для залужения участка выположенного оврага и террас с широким основанием.

Такая система обеспечит поэтапно аккумуляцию твердого стока, причем практически полное очищение поверхностного стока от твердых наносов осуществляется на последнем этапе системы – илофильтрах и в дамбахперемычках. Это позволит резко снизить заиление и загрязнение водных источников биогенными веществами, что является одной из основных задач оптимизации агроакваландшафтов и охраны окружающей среды.

4.8. Пути экономии использования водных ресурсов в АПК Одно из важнейших направлений экономии водных ресурсов в АПК – это борьба с непроизводительными потерями воды при ее использовании для орошения сельскохозяйственных культур, которые достигают до 40-50 % от водозабора.

В настоящее время общие потери воды при транспортировке, по данным Росводресурсов, для всего водохозяйственного комплекса России составляют 8,0 км3/год, из которых 4,9-5,3 км3/год приходится на отрасль сельского хозяйства (в основном на орошение), что составляет в среднем 62,5 % от общих потерь.

В связи с этим в первую очередь необходимо снижение потерь на фильтрацию во время транспортировки воды от источников к орошаемым полям. Для этого необходима реконструкция каналов – устройство противофильтрационных облицовок в земляных руслах с использованием современных водонепроницаемых материалов. Непосредственно на полях орошения переход от открытой сети к закрытой с высоким КПД.

В табл. 4.21 приводятся данные по предполагаемым объемам использования водных ресурсов на период до 2025 г. в зависимости от сценариев развития в целом по водному хозяйству и для орошения сельскохозяйственных культур, объемы строительства, реконструкции и модернизации ОС, объемы экономии воды при орошении.

Прогнозные объемы использования водных ресурсов на орошение и объемы строительства, реконструкции и модернизации Объемы использования пресной воды для всех отраслей, км3 56,4 58,0 62,4 65,-72,5 68-75,5 Объемы использования воды для тыс. га за период с 2008 г.

Повышение технического уровня Экономия водных ресурсов при орошении, км Так, для обеспечения продовольственной безопасности страны предлагается развитие орошения за счет строительства новых оросительных систем до 2025 г. на площади 4505 тыс. га, реконструкции и модернизации оросительных систем на площади 4515 тыс. га. Это обеспечит повышение технического уровня оросительных систем по этапам: к 2010 г. – на 5 %, к 2015 г. – на 10 %, к 2020 г. – на 20 %, к 2025 г. – на 25 %.

В конечном итоге реализация планов строительства, реконструкции, модернизации и повышения технического уровня оросительных систем позволит повысить КПД с 0,65 до 0,95 и снизить потери на орошение к 2025 г.

на 25- 30 %.

Объемы экономии водных ресурсов при орошении по годам в зависимости от сценариев развития орошения ориентировочно составляют: 2010 г.

– 0,45-0,60 км3/год; 2015 г. – 1,0-1,5 км3/год; 2020 г. – 2,2-3,8 км3/год; 2025 г.

– 2,7-4,3 км3/год.

Другим направлением экономии воды является более широкое использование водосберегающих способов орошения – капельного, аэрозольного, подпочвенного, а также внедрение рациональных поливных норм и составление графиков поливов, тесно увязанных с агротехническими планами водопользования и обработки почвы.

В результате многолетних полевых исследований по водопотреблению ведущих сельскохозяйственных культур на примере Северного Кавказа было выявлено, что в зависимости от обеспеченности водного баланса почвы и складывающихся погодных условий, нормы орошения в отдельные годы варьируют в широких пределах (в 2,5-3,5 раза), а фактическое водопотребление отличается от нормативного на 15-60 %.

Орошение земель нередко сопровождается негативными процессами, вызванными низкими коэффициентами полезного действия каналов, потерями воды на фильтрацию и испарение, превышением допустимых сбросов воды, что приводит к подъему грунтовых вод, подтоплению, заболачиванию и, в конечном итоге, к снижению продуктивности земель и к общему ухудшению экологической ситуации на орошаемых землях.

Все вышеизложенное диктует необходимость поиска новых путей совершенствования и повышения эффективности использования водных ресурсов, важным средством которой является нормирование водопотребности и водопользования в целом. В орошаемом земледелии для обеспечения экономного расхода воды, а также необходимого уровня урожайности, это особенно важно.

Принимая во внимание это обстоятельство, следует более реально подходить к обоснованию норм, применяемых для орошения сельскохозяйственных культур. При этом важным средством продуктивного распределения и эффективного использования водных ресурсов в орошаемом земледелии является нормирование водопользования (водопотребления и водоотведения).

В ФГНУ «РосНИИПМ» на базе многолетних полевых исследований разработана методика определения экологически и экономически обоснованных норм орошения основных сельскохозяйственных культур с учетом районирования территории по степени природной влагообеспеченности и дефицитов увлажнения этих культур в различные годы по обеспеченности материальными и природными ресурсами. В соответствии с установленными размерами норм орошения ведется разработка норм, показателей и коэффициентов водоотведения.

По дефициту водного баланса основных сельскохозяйственных культур, возделываемых на Северном Кавказе, установлены биологически обоснованные нормы водопотребности, рассчитанные на шесть уровней обеспеченности по зонам природной увлажненности для условий автоморфного режима почв.

Установленные нормы водопотребности апробированы на оросительных системах Ростовской области, Краснодарского и Ставропольского краев и Дагестана с удовлетворительными результатами. Реализация разработанных норм и режимов орошения позволяет сохранить плодородие почв и обеспечить получение проектных урожаев сельскохозяйственных культур.

Основные направления экономии воды и повышения эффективности ее использования в орошаемом земледелии состоят в следующем:

- реконструкция технически устаревших оросительных систем с низким коэффициентом полезного действия;

- снижение непроизводительных затрат воды и ее потерь (местных, по длине) при транспортировке от источника орошения и на поле;

- планировка полей и снижение фильтрационных потерь;

- организация водоучета;

- снижение количества сбросных вод, вызванных организационнотехническими причинами;

- повторное использование сбросных и коллекторно-дренажных вод;

- разработка и внедрение совершенной техники и способов полива;

- разработка новых способов водосбережения в орошаемом земледелии.

4.9. Защита от негативного воздействия вод природного и техногенного характера В рамках решения острой проблемы разработки надежных технологий прогнозирования быстроразвивающихся паводков, которые приводят к разрушительным наводнениям, к 2020 году требуется создание принципиально новой, преимущественно автоматизированной системы наблюдений в регионах сельхозпроизводства, где подобные явления наиболее часто встречаются.

Для этого необходимо решение следующих задач:

- переработка методической базы долгосрочных прогнозов с учетом современного состояния наблюдательной сети и видов информации, доступной в оперативном режиме;

- создание современных гидрологических концептуальных моделей формирования стока в крупных речных системах России и внедрение их в региональные прогностические центры;

- создание моделей для прогноза быстроразвивающихся паводков, объединенных с метеорологическими моделями, моделей формирования заторов, зажоров и уровней воды при них и др.;

- техническое усовершенствование сооружений инженерной защиты объектов экономики АПК;

- проведение берегоукрепительных работ и других мероприятий по предотвращению и ликвидации наводнений и другого воздействия вод природного и техногенного характера;

- повышение уровня финансирования водохозяйственных и водоохранных мероприятий за счет средств федерального бюджета;

- научное и научно-методическое обеспечение государственных и бассейновых систем предупреждения и защиты от вредного воздействия вод на сельскохозяйственное производство;

- усовершенствование систем гидрометеорологического мониторинга (средств получения, обработки и передачи информации), прогнозов, оповещения, принятия ситуационных решений и управления инженерными сооружениями путем широкомасштабного внедрения современной компьютерной техники;

- отведение основной роли адаптационным мероприятиям, контролю над землепользованием, управлению риском, эффективному страхованию, правовым и законодательным механизмам, призванным существенно снизить ущерб от возможных наводнений.

Для кардинального улучшения борьбы с катастрофическими наводнениями в целом в России к 2020 году необходим переход к стратегии предупреждения и предотвращения ущербов наводнений и управления рисками, а именно:

- разработка бассейновых комплексных планов действий по устойчивому предупреждению наводнений и смягчению их последствий;

- создание современных бассейновых систем предупреждения наводнений и защиты от них (прежде всего на реках Северного Кавказа и Приморья);

- определение очередности проектирования и строительства защитных гидротехнических сооружений с учетом причин наводнений, а также реконструкции действующих гидротехнических сооружений с учетом причин наводнений, а также реконструкции действующих гидротехнических сооружений с учетом изменения климата;

- реорганизация существующей системы гидрометеорологических наблюдений, техническое перевооружение и совершенствование методов оперативного прогнозирования наводнений;

- упорядочение землепользования на паводкоопасных территориях на основе надежной оценки зон затопления, уязвимости и риска наводнений; создание системы страхования от наводнений, совершенствование нормативноправовой базы, определяющей ответственность органов государственной власти и местного самоуправления за последствия катастрофических наводнений;

- повышение эффективности действий территориальных подсистем РСЧС.

4.10. Повышение эффективности использования водохранилищ и 4.10.1. Повышение эффективности использования водохранилищ Водохранилищный фонд в Российской Федерации насчитывает более 2200 водохранилищ объемом более 1 млн м3, из них 327 имеют объём более 10,0 млн м3. При этом большинство объектов относятся к категории малых водохранилищ с объемом от 1 до 10 млн м3 (85 % от общего числа) [45].

Искусственные водоемы небольших размеров с объемом менее 1 млн м3 и площадью водной поверхности менее 1 км2 относятся к категории прудов. Таких водоемов на территории России насчитывается 27,8 тысячи, которые составляют значительную часть водного фонда. По суммарной площади зеркала и суммарному объему они сопоставимы с аналогичными данными малых и средних водохранилищ.

Так как количество прудов во много раз превышает число водохранилищ, поэтому они играют существенную роль в обеспечении водными ресурсами по всей территории страны, и в особенности степной, лесостепной и полустепной зонах, где остро ощущается дефицит в водных ресурсах. Данные по водохранилищному фонду РФ представлены в табл. 4.22.

К водохранилищным гидроузлам, как и к другим водохозяйственным объектам, предъявляются следующие требования: функциональные, техникоэксплуатационные, эстетические, экономические и экологические. В связи с этим водохранилища должны обладать следующими научно обоснованными качествами: соответствовать назначению по размерам, инженерному оборудованию, по объемам отдачи и хранению водных ресурсов, выполнять требуемые функции и т.п.; обладать требуемыми прочностью, долговечностью и надежностью (т.е. соответствовать техническим требованиям); отличаться определенными архитектурными качествами водных объектов; быть экономичными в процессе эксплуатации и отвечать экологическим требованиям.

Использование водохранилища по назначению является его технологической эксплуатацией.

Распределение искусственных водоемов по размерам и территории Российской Федерации Примечание: * – ориентировочные данные.

Для эффективного использования водохранилищного гидроузла его конструктивные элементы и гидроузел в целом должны быть в исправном состоянии. Процессы, связанные с поддержанием водохранилища в исправном состоянии, определяются техническим обслуживанием и ремонтом (ТОиР) или технической эксплуатацией. ТОиР водохранилищного гидроузла представляет собой непрерывный динамический процесс по реализации комплекса организационных и технических мер по надзору, уходу и всем видам ремонта элементов водохранилища и поддержании их в исправном техническом состоянии в течение заданного нормативного срока службы.

Широкое понятие «строительство водохранилища» включает в себя проектирование, возведение, техническое обслуживание, ремонт и реконструкцию. Каждому из этих этапов присущ свой круг задач, но все они имеют общую цель – обеспечение нормативных параметров эксплуатационных качеств (ПЭК), позволяющих эффективно использовать водохранилище. Организационно-структурная модель строительства и технической эксплуатации водного объекта представлена на рис. 4.15.

Параметры эксплуатационных качеств по водохранилищу и их количественные значения были определены с использованием теоретических основ долговечности, надежности, износа и практики технической эксплуатации водных объектов.

На основании проведённой инвентаризации, на балансе (в ведении) государственных учреждений Депмелиоводхоза находится 250 водохранилищ и 153 плотины. Практически все объекты имеют комплексное назначение, т. к. обеспечивают потребности орошения, рыборазведения, питевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, в некоторых случаях энергоснабжения.

Востребованность водохранилищ (прудов) определяется системным окружением и функциональными требованиями. Общая схема целевого использования водоёмов (водохранилищ и прудов) представлена на рис. 4.16.

Рис. 4.15. Организационно-структурная модель проектирования, строительства и технической эксплуатации водохранилищного гидроузла Рис. 4.16. Общая схема целевого использования водохранилища При эксплуатации водохранилищ одни функции являются основными, другие сопутствующими, третьи вспомогательными. Следует отметить, что использование крупных водохранилищ АПК возможно для получения электроэнергии (гидроэнергетики).

Возможные объекты системного окружения водохранилища (пруда) представлены в виде структурной схемы модели гидроузла на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Структурная схема модели водохранилищного гидроузла:

1 – водохранилище ( пруд); 2 – населенный пункт; 3–- подача воды на технические нужды и пожаротушение; 4 – животноводческая ферма; 5 – орошение с.-х. участков; 6 – водопой скота; 7 – зона отдыха; 8 – граница водосборной площади; 9 – лесные массивы; 10 – пашня; 11 – луга; 12 – тальвег балки; 13 – зона вероятного затопления при разрушении плотины Граница модели водохранилищного гидроузла ограничивается с одной стороны водораздельной линией, с другой стороны включает зону возможного затопления в случае гидродинамической аварии (прорыв плотины).

На водохранилищный гидроузел непосредственное влияние оказывает системное окружение, т.е. объекты водопользователей (табл. 4.23) – это населенный пункт, который использует воду из водоема на различные нужды и пожаротушение, животноводческая ферма, сельскохозяйственные предприятия и сельскохозяйственные угодья, оросительные участки, дороги, мосты и другие объекты.

Объекты водопользователей и их влияние на модель водохранилищного ленные предприятия Приусадебные участки Населенный пункт Неорганизованный отдых населения.

Системное окружение водохранилищного гидроузла определяет его востребованность, изменяющуюся со временем, в зависимости от возникающих новых объектов или ликвидации существующих.

При проведении оценки востребованности водохранилищного гидроузла для объектов системного окружения выполняются технико-экономические расчёты, по которым определяется экономическая эффективность использования водного объекта для тех или иных нужд. Основным показателем экономической эффективности является минимум приведённых затрат. Наибольшую сложность представляет определение востребованности водного объекта при рассмотрении моральных и социальных факторов.

К водохранилищам предъявляются функциональные требования, направленные на обеспечение: защиты населенных пунктов, с.-х. угодий, промышленных предприятий и других объектов от затопления; оросительных систем, промышленных предприятий и других объектов; гидроэнергетики;

сельскохозяйственного водоснабжения; обводнения; противоэрозионных мероприятий; рыборазведения; рекреации и т.д.

Таким образом, эффективное использование водохранилища определяется обеспечением в полном объеме всех потребителей в течение расчетного периода и комплексного его использования.

По результатам обследований, средний процент физического износа крупных водохранилищ, находящихся в ведении Минсельхоза России, составляет 56 %, средних – 34 % и малых до 58 %. Все сооружения работают в пониженных эксплуатационных режимах с высокой вероятностью чрезвычайных ситуаций, которые могут возникнуть при прохождении весенних половодий и паводков. Примером может служить Отказненское водохранилище на реке Кума, полная емкость которого составляла 131 млн м3, за время эксплуатации (введено в эксплуатацию в 1966 году) оно заилилось на 55,4 млн м3, что составляет 42,3 % проектного объема, т.е. техническое состояние оценивается как неудовлетворительное, уровень безопасности опасный (критический). В случае гидродинамической аварии возможно затопление с.-х. угодий площадью 8000 га и частичное затопление г. Зеленокумска с численностью населения более 40 тыс. человек. Другим примером является Чограйское и Шапсугское водохранилища, которые по экспертным оценкам имеют неудовлетворительный (Чограйское вдхр.) и опасный (критический) (Шапсугское водохранилище) уровень безопасности.

Чограйское водохранилище (введено в эксплуатацию в 1969 году) расположено на р. Восточный Маныч, полная ёмкость которого составляет 720 млн м3, за время эксплуатации заилилось до 40 % объёма, т.е. техническое состояние оценивается как пониженный уровень безопасности (опасный). В связи с тем, что одной из основных функций является хозяйственнопитьевое водоснабжение, при таком техническом состоянии гидроузлом поддерживается заниженный НПУ с полным объёмом 350 млн м3. В случае аварии в зону затопления попадают 90 тыс. га и населённые пункты с численностью населения 100 тыс. чел.

Шапсугское водохранилище в Адыгее (введено в эксплуатацию в 1952 году) расположено в левобережной пойме р. Кубани, в устьевой части реки Афипс. Водохранилище выполняло противопаводковую функцию, но в результате заиления и выхода из строя водосбросных сооружений, техническое состояние оценивается как неудовлетворительное, уровень безопасности критический. В результате возникла угроза затопления Нижней Кубани на площади 600 тыс. га, где проживает 500 тыс. чел. В связи со сложившейся ситуацией по распоряжению МПР России Шапсугское водохранилище спущено до уровня мёртвого объёма и работает на прямотоке.

Усть-Джегутинское водохранилище (эксплуатируется более 50 лет) располагается на территории Карачаево-Черкесии на реке Кубань. Водохранилище обеспечивает подачу воды на нужды энергетики, водоснабжения городов Усть-Джегута, Черкесск, населённых пунктов Карачаево-Черкесской Республики, городов-курортов Кавказских Минеральных вод, Невиномысского промышленно-энергетического комплекса, Будёновского завода пластмасс и пяти районов Ставропольского края. В результате заиления и аварийного состояния головного водосбросного сооружения гидроузел находится на критическом уровне безопасности, что требует больших капитальных затрат на реконструкцию.

По данным Российского регистра 2007 года [45], уровень безопасности крупных и средних водохранилищных гидроузлов следующий: нормальный – 12 %; пониженный – 15 %; неудовлетворительный – 60 %; опасный (критический) – 13 %, а уровень безопасности малых водохранилищ: пониженный – 50 %; неудовлетворительный – 40 %; опасный (критический) – 10 %.

По техническому состоянию и уровню безопасности для 87 % крупных и средних водохранилищ требуются комплексные и выборочные капитальные ремонты, для 13 % – реконструкция. Для 90 % малых водохранилищ требуется капитальный ремонт; для 2 % – требуется ликвидация; для 8 % – реконструкция.

Низкий уровень безопасности водохранилищных гидроузлов обуславливается неудовлетворительным техническим состоянием: чаши водохранилища (заиление, занесение, зарастание водной растительностью, большим процентом мелководий и т.д.); тела плотины (размывы верхового откоса, разрушение покрытий откосов, дефекты противофильтрационных устройств, выход фильтрационного потока в нижний бьеф); дефекты водосбросного, водоспускного сооружений.

Одним из основных показателей технического состояния водохранилища, снижающих эффективность использования, является объем заиления его чаши (пример – Отказненское водохранилище). Поэтому для эффективного использования водохранилища необходимо своевременно проводить мероприятия по защите его от заиления.

С первых лет создания в водохранилищах происходит частичное или полное отложение наносов, поступающих с водосбора, отложение органических и минеральных веществ, образующихся в них, что свойственно всем водоёмам замедленного водообмена. Во время снеготаяния или сильных ливневых дождей с водосборов стоком выносится осадкообразующий материал в виде взвешенных и влекомых наносов и в виде органически и химически растворённых веществ. Вместе они составляют твёрдый сток водотоков. Пыльные бури поставляют на поверхность водохранилищ продукты эолового происхождения. Некоторая часть осадкообразующего материала формируется в самом водоёме в результате обрушения берегов, размыва ложа и плотины, а также внутриводоёмных процессов (выпадение солей из водной массы, образование органического вещества из высшей водной растительности, зоо- и фитопланктона, бентоса).

Отдельные исследователи отмечают несоблюдение водопользователями простейших мер охраны водохранилищ от заиления. Более того, допускаются серьезные нарушения в использовании водохранилищ и прилегающей к ним площади водосбора, способствующие ускорению их заиления. Прилегающие склоны нередко пашутся до самого уреза, перепаханы тальвеги балок выше водохранилищ и прудов, ранее имевшие хорошо развитую луговую растительность. Вокруг большинства прудов нет лесомелиоративных древесных и кустарниковых полос, защищающих их от поступления продуктов эрозии. На некоторых малых водохранилищах отсутствуют постоянные водосбросные сооружения, поэтому в многоводные годы дополнительно устраиваются земляные обводные каналы, через которые осуществляется сброс избытка воды, которые часто превращаются в глубокие промоины. Несвоевременный ремонт плотин малых водохранилищ приводит к их прорыву, и часть водохранилищ (прудов) переходит в категорию недействующих.

Водохранилища, как и все водоемы замедленного водообмена, являются накопителями веществ, в каком бы количестве они ни поступали. Поэтому необходима разработка мер по охране водохранилищ от заиления и контроль за их накоплением.

Меры охраны водохранилищ от заиления должны разрабатываться с учетом всех источников заиления. Основное количество наносов, как было показано выше, поступает в водохранилище от смыва их с прилегающего водосбора, от переработки берегов, размыва плотины и ложа. Мероприятия, направленные на уменьшение поступления наносов от этих источников, должны осуществляться в первую очередь.

Для предотвращения поступления наносов в водохранилища с прилегающих к ним склонов рекомендуется устраивать водоохранные зоны (лесные и кустарниковые посадки на склонах вокруг водоёмов), а также задернованные и залуженные полосы. Лесные полосы, посаженные вдоль берегов, должны смыкаться в тальвеге балки в целях защиты верховья балки от размыва и очищения потоков воды от наносов. Обсадку берегов начинают от летнего уровня воды в виде полосы шириной 15-20 м. Один ряд деревьев должен отстоять от другого на расстоянии 1,5-2,0 м, а деревья или кусты друг от друга – на расстоянии 0,75 м. При посадке деревья, как правило, должны чередоваться с кустарником. Высокую эффективность показали защитные полосы вокруг малых водохранилищ по древесно-кустарниковому типу с опушкой из лесных и плодово-ягодных кустарников. Лесные полосы шириной 20-30 м полностью очищают весенние потоки со склонов от илистых частиц почвы, последние оседают в лесной полосе и на ее опушке, обеспечивают снижение потерь воды в водохранилище на испарение.

Задернованная или залуженная полоса шириной 30-40 м вокруг водохранилища кольматирует 70-90 % поступающих со склонов наносов, рекомендуется для закрепления прибрежных склонов применять лесолуговой способ, который состоит в том, что вместо широких лесных полос следует создавать 1-2-рядные мелиоративные кулисы из кустарников и древесных пород, а межкулисные участки использовать под посевы многолетних трав. Кулисы следует размещать поперек склона через 50 м одна от другой, чередуя две-три однородные кустарниковые кулисы с одной двухрядной древесной.

Берега, разрушаемые от волновых воздействий, дают значительный прирост отложений в водохранилищах (прудах). Посадкой лесополос можно ослабить воздействие ветрового волнения на берега водохранилищ. Древесно-кустарниковая растительность по берегам способствует своей корневой системой их укреплению.

Помимо волнового воздействия на берега, возможно их оплывание, в таких случаях целесообразно устройство фашинного крепления, каменной отмостки берегов в пределах сработки уровня.

Для защиты верхового откоса плотины от разрушения применяют крепление откосов древесно-кустарниковой растительностью, бетонными плитами, каменной кладкой. Некоторое количество наносов поступает в пруды из основного водотока. Для их задержания рекомендуется устройство осадочных бассейнов, образуемых небольшими земляными перемычками высотой 0,5-1,0 м, через которые переливается вода, освободившись от наносов.

Перемычки располагают на расстоянии 0,5-1,0 км одна от другой. По мере заиления производят очистку бассейнов от ила или увеличивают высоту перемычек, если это возможно сделать по условиям рельефа местности. Для этой же цели рекомендуется создавать растительные фильтры, которые характеризуются высокой приживаемостью в условиях периодического потока, переносят максимальное загущение посадок и заиление. Длина посадок составляет 40-70 м на каждый километр длины берега. Не рекомендуется распахивать задерненные или заросшие кустарником тальвеги балок, по которым вода подходит к прудам и водохранилищам. Наоборот, если на части этих днищ растительный покров отсутствует или изрежен, необходимо принять меры к восстановлению травостоя путем подсева семян многолетних трав и посадки кольматирующих кустарниковых полос-илофильтров. На отвержках балок надо насадить илоуловители из ивовых пород.

Основной водоток, на котором расположено водохранилище (пруд), концентрирует наносы, поступающие со всего водосбора. Поэтому, помимо перечисленных мер уменьшения поступления наносов в водохранилище из основного водотока, необходимо на водосборе водохранилища выполнять широкий комплекс противоэрозионных мероприятий, направленных на снижение поверхностного стока и перевод части его в подземный. Для этого осуществляются агротехнические, лесотехнические и гидротехнические мелиоративные мероприятия.

Высшая водная растительность способствует заилению водохранилищ органическими остатками, поэтому ее рекомендуется уничтожать. Для этого применяется выкашивание растительности, разведение растительноядных рыб и водоплавающей птицы. Однако полное уничтожение водной растительности на прибрежной полосе до 3 метров нежелательно, так как эти растения защищают берега от волновых воздействий, а в наземной части задерживают продукты склонового смыва.

Водохранилище даже при соблюдении необходимых мер охраны частично или полностью заиливается и требуется выполнение работ, направленных на удаление отложений из водохранилища. Иногда для смыва ила используется сброс воды через донные водовыпуски и водоспуски. Практика показывает, что через водопропускные отверстия промывается от 2 до 5 % отложившегося непосредственно у водоспуска ила, т.е. эффект незначителен. Поэтому на водохранилищах организуются работы по очистке от донных отложений следующими способами: механизированным, гидромеханизированным, взрывным и ручным. Наибольшее распространение получили механизированный и гидромеханизированный способы разработки донных отложений.

Очистка водохранилищ от накопившихся в них отложений обеспечивает их эффективное использование, улучшение качества воды для водоснабжения, создание нормальных условий для разведения рыбы и водоплавающей птицы.

Для повышения эффективности работы водохранилищных гидроузлов требуется обеспечение нормального технического состояния элементов гидроузла (чаши водохранилища, водоподпорной плотины, водосбросных и водозаборных сооружений).

Техническое состояние и нормальный уровень безопасности обеспечивается выполнением следующих видов работ:

- организацией системы технического обслуживания и ремонта (наблюдения и технические осмотры, наладка и ремонт механического оборудования, выполнение ремонтных планово-предупредительных работ) и т.д.;

- установлением природоохранных зон;

- комплектацией водохранилищ системой контрольно-измерительных приборов и аппаратуры;

- организацией системы мониторинга.

Эффективность работы водохранилища определяется соблюдением правил его эксплуатации и системой технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Техническая эксплуатация водохранилищного гидроузла включает:

технические осмотры; техническое обслуживание конструкций и оборудования и их наладку; технический ремонт; капитальный ремонт. Технические осмотры должны осуществляться комиссиями, состоящими из гидротехников высокой квалификации. Системой ТОиР предусматривается проведение трех видов технического осмотра: общий (предпаводочный, послепаводочный и полугодовой), частичный (отдельных конструкций), внеочередной. По результатам осмотров составляется дефектная ведомость, и намечаются виды работ по проведению эффективного ремонта с использованием современных технологий и материалов. Ежегодно по водохранилищному гидроузлу корректируются технико-экономические показатели для прогнозирования и эффективного использования водных ресурсов.

Опыт эксплуатации водохранилищных гидроузлов показал, что наиболее эффективной системой обслуживания и эксплуатации является система планово-предупредительных ремонтов. Система ТОиР предполагает разработку положения о проведении планово-предупредительных ремонтов, в котором определяется состав и порядок функционирования системы.

Схемы реализации системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) при текущем и капитальном ремонтах водохранилищного гидроузла показаны на рис. 4.18, 4.19.

Система ТОиР предполагает наличие на водохранилищный гидроузел следующих документов: техническое описание (ТО), с указанием выполняемых водохранилищем функций; чертежи исполнительной съемки гидроузла;

технический паспорт с указанием в нем технико-экономических показателей по водохранилищу, восстановительной и балансовой его стоимости, физического износа элементов гидроузла в %; инвентаризационная ведомость с указанием всех дефектов по гидроузлу.

Обеспечению эффективности работы водохранилища способствует регулярное проведение инвентаризации гидроузлов (1 раз в 5 лет), в соответствии с «Временными методическими указаниями по ускоренной инвентаризации гидротехнических сооружений и оценке состояния водохозяйственных объектов» (приказ министра МПР РФ от 22.12. № 269).

Кроме того, для эффективного использования водохранилищных гидроузлов необходимо финансирование работ по реконструкции, капитальному и текущему ремонтам, для погашения затрат по страхованию, декларированию водохранилищных гидроузлов, организации мониторинга и кадровой комплектации службы эксплуатации.

Рис. 4.18. Схема реализации системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) при текущем ремонте водного объекта Рис. 4.19. Схема реализации системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) при капитальном ремонте водного объекта Необходимые затраты по годам: 2009-2010 – 27,0 млрд руб.; 2010млрд руб.; 2015-2020 – 10 млрд руб. Только по ЮФО РФ, по данным ОАО «Севкавгипроводхоза», на реконструкцию и текущий ремонт потенциально опасных водохранилищ и гидроузлов потребуется 26,2 млрд руб.

4.10.2. Повышение эффективности функционирования По данным Мелиоративного кадастра, в ведении Минсельхоза России находятся оросительно-осушительные каналы протяжённостью 42738 км. Из них число крупных магистральных каналов с расходом свыше 100 м3/с – 7 каналов суммарной протяженностью 758 км; 7 каналов – с расходом 50м3/с, суммарной протяжённостью 580 км; с расходом 20-50 м3/с – 13 каналов суммарной протяжённостью 2284 км; с расходом 10-20 м3/с – 315 каналов суммарной протяжённостью 1600 км.

Наиболее крупные каналы на юге России, использующиеся комплексно для нескольких отраслей, представлены в табл. 4.24 [46].

Сведения о крупных каналах юга России, находящихся в ведении Примечания: 1 – числитель – год ввода БСК-1; знаменатель – год ввода БСК-3;

– числитель – длина построенного участка; знаменатель – длина по проекту.

Условные обозначения: О – орошение и обводнение; В – водоснабжение; Э – энергетика; Р – рыбное хозяйство; П – переброска и подпитка других рек; СХВ – сельхозводоснабжение.

Ввиду длительного срока работы многие каналы мелиоративного назначения требуют реконструкции, ремонта и модернизации. По предварительным оценкам, общее количество таких объектов составляет более 50 %.

Такое техническое состояние объясняется, в основном, нарушением системы технического обслуживания и ремонта сооружений, в результате чего появилась высокая вероятность чрезвычайных ситуаций (подтопление и заболачивание территории, прорыв бортов канала и т.д.).

Ниже представлены данные по наиболее значимым магистральным каналам Российской Федерации.

Оросительные каналы Республики Кабардино-Балкария расположены в предгорной части территории. В основном имеют незначительную протяжённость 20-30 км и пропускную способность 10-30 м3/с. Общая длина всех оросительных каналов в Кабардино-Балкарии 2500 км. Сведения по магистральным каналам Кабардино-Балкарии представлены в табл. 4.25.

Главные магистральные каналы Кабардино-Балкарии Наиболее крупные оросительные каналы Ростовской области Пролетарский Сальский МК Многие магистральные и межхозяйственные каналы Ростовской области построены в период с 1952 по 1970 гг. и выполнены в основном в земляном русле. Общая протяженность межхозяйственных магистральных каналов составляет 7990 км, из них 775 км в облицованном русле, что составляет около 10 % от общей протяженности каналов.

Сведения по магистральным каналам Ставропольского края представлены в табл. 4.27.

Общая протяжённость межхозяйственных каналов Ставрополья составляет 3361 км, в том числе облицованных 959 км или 28,5 % от всей сети крупных каналов. Средний КПД межхозяйственных оросительных каналов составляет 0,7. Из каналов наполняется водой 53 крупных водохранилища.

Сведения о наиболее крупных распределительных каналах Сведения по магистральным каналам Дагестана представлены в табл.

4.28.

Сведения по магистральным и крупным распределительным Канал им.Октябрьской революции (КОР) Дагестан является одним из крупнейших на юге страны исторически сложившихся регионов орошаемого земледелия. На оросительных каналах Дагестана общая протяжённость межхозяйственных каналов составляет 4655 км, из них облицованных всего 374 км. Две трети каналов оросительных систем республики – не инженерные, не обеспечены коллекторно-дренажной сетью.

Каналы в земляном русле без противофильтрационной одежды подвергаются быстрому заилению и зарастанию, особенно на Северных Теречных системах.

Всё это обуславливает низкий КПД систем, который не превышает 0,5.

Сведения по магистральным каналам Краснодарского края представлены в табл. 4.29.

Расходы воды, подаваемые в крупные оросительные каналы Крупные магистральные каналы Краснодарского края обеспечивают водой рисовые оросительные системы и проложены в основном в земляном русле. Средний коэффициент полезного действия каналов 0,72.

Сведения по магистральным каналам Поволжья представлены в табл. 4.30.

Сведения по крупным магистральным каналам Поволжья гоградской ОС КПД магистральных каналов, проложенных в земляном русле, равен 0,71. В каналах с бетоноплёночной и грунтоплёночной облицовкой КПД составляет 0,8.

Сведения по магистральным каналам Сибири представлены в табл.

4.31.

Орошение в Сибири сосредоточено в основном в Алтайском крае, на юге Красноярского края, в Хакасии, Туве. КПД магистральных каналов Сибири составляет 0,82.

Учитывая значительное снижение технического уровня мелиоративных систем и существенный износ объектов водохозяйственного мелиоративного комплекса, в перспективе, согласно целевой программе сохранения и восстановления плодородия почв России в 2007-2012 гг., для повышения эффективности работы каналов предусмотрено выделение средств на реконструкцию Большого Ставропольского, Донского, Невинномысского и Саратовского магистральных каналов.

Анализ материалов обследования магистральных каналов в Ростовской и Саратовской, Волгоградской областях в Ставропольском и Краснодарском краях, в Дагестанской Республике и в Сибири показал, что на длине 3000 км техническое состояние каналов оценивается ниже удовлетворительного, а на некоторых участках неудовлетворительное: имеет место разрушение облицовок, зарастание водной растительностью откосов, заиление ложа каналов, сползание плит, трещины на плитах, нарушение швов и противофильтрационных экранов, наблюдается повышенная фильтрация.

При зарастании каналов значительно увеличивается шероховатость русла, от этого уменьшается пропускная способность каналов, снижаются скорости потока, от этого происходит интенсивное заиление ложа каналов, и как результат – снижение КПД на 20-30 %, а в отдельных случаях – до 40 %.

Кроме того, при эксплуатации магистральных, межхозяйственных и хозяйственных каналов происходят разрушения от коррозии, периодического замораживания-размораживания, выщелачивания бетона, размыва откосов, старения и разрушения бетонных и железобетонных конструкций, плит и креплений рисбермы. Волновое воздействие на откосы каналов приводит к сильному разрушению и сползанию отмосток, железобетонных плит, деформированию покрытий, их перекосу и сползанию.

Особого внимания на каналах оросительных систем требуют элементы катастрофических сбросов, которые в большинстве случаев имеют значительные разрушения, деформации поверхностей отмосток, откосов и донной части, а также наличие в них илистых наносов. Деформированы зачастую ригели затворов и элементы винтовых подъемников. Зарастание русел каналов сорной растительностью, наличие деформаций и разрушений, трещинообразование облицовочных покрытий противофильтрационной защиты, попадание инородных включений и образование больших слоев илистых наносов по глубине в донной части резко снижают объемы и расчетные расходы по подаче воды на поля орошения на 20-30 % ниже расчетного, а в отдельных случаях на 40-50 %.

Бетонированные каналы в отличие от земляных русел вследствие меньшей самоочищающей способности в летний период при благоприятных условиях (относительно малой средней скорости потока, меньше 0,5 м/с) интенсивно зарастают водорослями и погруженной водной растительностью, коэффициенты шероховатости возрастают в 1,8-2,2 раза, снижаются скорости в 1,2-2,2 раза и пропускная способность – в 1,20-1,65 раза в сравнении с расчетной, увеличиваются фильтрационные потери.

Уплотнение ложа оросительных каналов заключается в создании грунтового экрана по периметру канала механизмами ударного действия. В результате уплотнения уменьшается общая, а также и активная порозность, и как следствие, значительно снижается фильтрационная способность грунта ложа канала. Уплотнение применяют на каналах, проходящих в связных грунтах, при оптимальной их влажности. Пропитывание вяжущими материалами проводят с целью уменьшения активной порозности грунта путём заполнения его пор. К ним относятся битумизация и нефтевание ложа каналов.

Эти методы основаны на пропитывании ложа канала битумной эмульсией, каменноугольным дёгтем, нефтью, мазутом. Поверхность канала планируют и покрывают горячим битумом или нефтью при температуре 150 С в несколько приёмов. Долговечность такого покрытия 4-5 лет, а потери на фильтрацию при устройстве такого покрытия уменьшаются в 3-4 раза.

Ещё одной важной проблемой является ухудшение качества воды в каналах. Охрана водных источников, и в том числе каналов, является важной задачей. Во всех случаях, когда речь идет об охране источников воды, подразумевается не только защита воды от попадания загрязняющих веществ, но и сохранение водных ресурсов, т.е. чтобы они были возобновляемыми и неисчерпаемыми.

В связи с этим большое значение имеют методы расчета и рациональное размещение мест выпуска в водоемы отработанных сточных вод и прогнозирование качества воды источников. В процессе биохимического самоочищения водотоков важнейшее место отводится их кислородному режиму.

Обычно выделяют три основных фактора, влияющих на изменение концентрации в виде растворенного кислорода: обмен кислорода с атмосферой (атмосферная аэрация); выделение кислорода водными растениями при фотосинтезе; поглощение кислорода при разложении органических и неорганических веществ. Значительное количество растворенного кислорода (РК) расходуется на окисление ограниченных веществ. Мерой содержания легкоминерализуемого органического вещества в водоеме и мерой интенсивности процессов его разложения является биохимическое потребление кислорода (БПК). Таким образом, биохимическое потребление кислорода – один из важных показателей качества воды – является также основной причиной уменьшения содержания растворенного кислорода в водотоке. В силу взаимодействия между РК и БПК большое значение придается построению РКБПК моделей, описывающих изменение концентрации РК и БПК с учетом их взаимодействия.

Для комплексной оценки экологического состояния оросительных каналов необходима также оценка химического состава оросительных вод, которая проводится тремя способами [47]:

1) по общей минерализации;

2) по показателю степени активности натрия к обменным реакциям при взаимодействии оросительной воды с почвой, характеризующему возможность вторичного осолонцевания (SAR);

3) по величине ирригационного коэффициента (Ки).

Если общая минерализация воды меньше 1,0 г/л, вода пригодна для орошения без ограничений, больше 1,0 г/л – вода пригодна для орошения с ограничениями:

При значениях Ки > 18, SAR< 4,5; при минерализации больше 5,0 г/л вода непригодна для орошения.

При минерализации оросительных вод менее 0,20 г/л опасность вторичного осолонцевания низкая, если значения показателя SAR менее 10,0, средняя – от 10,0 до 18,0, высокая – при 18,0-26,0, очень высокая, если SAR> 26,0 г/л. При минерализации оросительных вод более 0,50 г/л опасность осолонцевания почв низкая при SAR менее 6,0, средняя – при 6,0-10,0 высокая при 10,0-18,0 и очень высокая, если SAR> 18,0 г/л.

Такое положение с качеством воды объясняется повсеместным сбросом сильнозасоленных коллекторно-дренажных вод в эти источники. Необходимо сохранить естественные свойства жидкости, и прежде всего, ее способность к самоочищению, т.е. нужно разумно ограничить «нагрузку на природу». Следовательно, необходима разработка стратегии по снижению антропогенного воздействия на реки, основанной на комплексном подходе, дифференцируя поквартальные сбросы в них производителями сельхозпродукции. Эффективная работа данного подхода возможна только при наличии развитой сети мониторинга.

Нормативными документами к каналам предъявляются следующие эксплуатационно-технологические требования: должно выполняться условие неразмываемости, незаиляемости, незарастаемости русла; должны быть минимальные фильтрационные потери; должна быть обеспечена требуемая пропускная способность (каналы должны обеспечить пропуск расчетных максимальных форсированных и минимальных расходов), обеспечена устойчивость русла и необходимая конструктивность сечения канала; возможность аварийного опорожнения каналов.

В процессе работы ложе каналов и расположенные на них сооружения постоянно подвергаются воздействиям технологических, климатических, биологических и других факторов.

К технологическим факторам относятся факторы воздействия водного потока на русло канала – это статические, динамические и вибрационные нагрузки, волновые и ледовые воздействия.

К климатическим факторам относятся температура, влажность, давление, ветер, солнечная радиация, пыльные бури. С повышением температуры воздуха возрастает размывающая способность водного потока, активизируется его агрессивное влияние. Это способствует ухудшению физических свойств гидроизоляционных и других материалов. Понижение температуры увеличивает хрупкость, вызывает изменение, а нередко ухудшение физических свойств материалов. Особое влияние на изменение сопротивляемости размыву грунта и бетона, устойчивости к сползанию откосов оказывает многократный переход температуры через 0 оС, достигающий за осенне-зимневесенний период 150-300 циклов.

С позиции теории надежности – надежность работы канала обеспечивается выполнением заданных функций (подача заданного расхода воды потребителю) при сохранении эксплуатационных показателей (пропускная способность, высота командования, напор, поперечное сечение) в заданных пределах в течение заданного срока службы.

Анализ натурных наблюдений и изучение опыта эксплуатации показывают, что для каналов примерные сроки службы можно принять: для магистральных каналов – 100 лет, для межхозяйственных каналов – 40-50 лет, внутрихозяйственных каналов – 30-40 лет, лотковых каналов – 25 лет.

В теории надежности широко используется такое понятие, как отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. В соответствии с этим под отказом канала понимается снижение пропускной способности, подъем уровня воды выше допустимого, появление размывов и заиления, значительная фильтрация, обрушение откосов канала.

Причинами отказа работы каналов и составляющих его элементов могут быть:

1) силовые воздействия потока на русло канала (статические, динамические, волновые, ледовые и т.д.);

2) скорости течения, которые могут быть выше допустимых (неразмывающих) для грунта канала и ниже заиляющих;

3) местные размывы у отдельных сооружений на каналах;

4) повышенная фильтрация;

5) морозное пучение и просадки дна и откосов;

6) зарастаемость русла канала и развитие водной растительности в облицованных каналах.

Все неполадки и связанные с ними отказы можно разделить на две группы: допустимые и недопустимые.

К допустимым относятся локальные размывы – отрыв отдельных агрегатов грунта русла; срыв отдельных частиц, разрушение поверхностного слоя грунта на откосах, которые не изменяют параметров канала за пределы допусков. Эти повреждения могут быть устранены путем проведения плановых профилактических и текущих ремонтов.

К недопустимым следует относить размывы и обрушения откосов, протекающие с большой интенсивностью и изменяющие расчетные параметры русла канала и связанные с ними гидравлические параметры водного потока.

Основные требования к инженерным сетям – обеспечение пропуска форсированных или максимальных расходов воды (для осушительных сетей – пропуск расчетных расходов притока ливневых и паводковых вод на осушаемую территорию 1%-ной обеспеченности) с минимальными потерями, обеспечение гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности.

Для оценки эффективности работы каналов в ФГНУ «РосНИИПМ» [48] разработаны технические требования и определены нормативы и показатели оросительных каналов, обеспечивающие их гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность.

Эти параметры (гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность) будут обеспечиваться при соблюдении условий:

а) по водопроницаемости русла канала в земляном русле:

с противофильтрационной одеждой:

б) по подъему уровня грунтовых вод:

в) по допускаемым скоростям из условия незаиляемости и неразмываемости:

г) по пропускной способности:

д) по коэффициенту полезного действия:

е) по вероятности безотказной работы и обеспечению гидравлической эффективности эксплуатационной надежности:

ж) по показателю технического состояния канала где Sф, Sдоп – соответственно потери на фильтрацию – фактические и допускаемые;

k обл k обл.доп – осредненный расчетный и допускаемый коэффициент фильтрации облицовки;

h – глубина залегания уровня грунтовых вод при подъеме его в результате фильтрации из канала;

hкp – критическая глубина залегания грунтовых вод от поверхности с учетом капиллярного подъема;

, нез, нер – действительная средняя, незаиляющая и неразмывающая скорости течения в канале;

О, Qnp – фактическая и проектная пропускная способность канала;

Qг.н – расход канала гидравлически наивыгоднейшего сечения;

, тр – фактический и требуемый КПД по условиям эксплуатационной надежности;

Рэ, Рэ.тр – вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности, фактическая и требуемая;

0, 0, 0, 0 – коэффициенты допустимого снижения нормативных показателей, принимаемые по результатам статистической обработки натурных данных.

Значения требуемых нормативных показателей работы канала – КПД, показателя технического состояния и вероятности безотказной работы приведены в табл. 4.32; значения коэффициентов допустимого снижения нормативных показателей – в табл. 4.33.

Рекомендуемые значения нормативных показателей работы 1. Необлицованные каналы 2. Облицованные каналы тонными сборными и сборномонолитными облицовками бинированными покрытиями вышенной надежности 3. Лотковые каналы Рекомендуемые значения коэффициентов допустимого снижения 1. Необлицованные каналы 2. Облицованные каналы - с бетонными и железобетонными облицовками ночными облицовками Для оценки и обоснования повышения гидравлической эффективности «РосНИИПМ» разработаны соответствующие технические требования, представленные в табл. 4.34, 4.35, 4.36. Ряд из представленных технических требований к гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности обосновывается результатами натурных исследований облицованных и необлицованных каналов в различных зонах.