Димломная работа Адильхан ор11. Исследование рационального использования водных ресурсов реки Сырдарья
 Скачать 0.84 Mb.
|
 – теплообмен между поверхностью почвы и атмосферы;  – теплообмен между почвенным слоем и подстилаю-щими слоями почвообразующей породы;  – суммарное испарение.В работах ряда метеорологов принято, что в условиях орошения величины и близки к нулю. В этом случае уравнение радиационного баланса пимет вид:  или  . В упрощенном виде уравнение водного баланса для зоны аэрации имеет следующий вид:  , где  – осадки;  – оросительная норма;  – результирующий поверхнос-тный сток;  – величина водообмена между почвенными и грунтовыми водами;  – конечные и начальные влагозапасы почвы зоны аэрации.При низком уровне грунтовых вод (ниже 3 – 4 м) и отсутствии смыкания капиллярной каймы с корнеобитаемой зоной  при условии, что периодическая подача на поле поливной воды не превышает водоудержи-вающей способности корнеобитаемого слоя почв, а интенсивность подачи воды не превосходит интенсивности ее инфильтрации в глубь почвы, уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя почвы приводится в виде: , (3)Величину в уравнении можно выразить с помощью уравнения баланса, в котором с учетом сравнительно длительного периода составления баланса можно положить из-за малости  , то есть  или  . (4)Как известно, отношение радиационного баланса  к затратам тепла на испарение выпавших осадков представляет собой гидротермический коэффи-циент ( «радиационный индекс сухости»):  , то есть один из наи-более подходящих для современной практики проектирования мелиорации критериев оценки почвенно-мелиоративных условий и потребностей почвообразовательного процесса в водных мелиорациях. При этом, гидротермический коэффициент  на основе уравнения необходимо рассматривать не столько как естественную характеристику местности, сколько как регулируемую величину: . (5)Таким образом, гидротермический показатель характеризует баланс энергии и вещества и определяет интенсивность геологического и биологи-ческого круговоротов воды и химических веществ на земле, а поэтому может быть положен в обоснование почвенно-экологически приемлемых норм водопотребления сельскохозяйственных земель, то есть для определение почвенно-экологических норм орошении сельскохозяйственных земель можно использовать следующих уравнений:  . (6)Значение гидротермического коэффициента , характеризующее оптимальное отношение тепла и влаги на орошаемых землях, определяется с учетом направленности почвообразовательного процесса на основе Закона эволюции.Предложенная методика обоснования оросительных норм сельскохозяйственных угодий И.П. Айдарова [44] , Ж.С. Мустафаева, А.Т. Козыкеевой [24; 5], Г.А. Сенчукова, Л.Г. Дудниковой, О.Е. Бондоренко, Ю.А. Маркова [28] , в основу которой положен принцип энергетической балансированности тепла, влага и питательныхз веществ, может быть использована при мелио-рации сельскохозяйственных земель. 2.6 Дифференцированные водопотребности сельскохозяйственных угодий реки Сырдарья 2.6.1 Диверсификация растениеводства реки Сырдарья Известно, что в условиях рыночной экономики объем сельскохозяйственного производства и цена на продукцию определяются спросом на международном рынке. В связи с этим диверсификация растениеводства в техногенных нарушенных агроландшафтах в низовьях реки Сырдарьи условиях возрастающего дефицита водных ресурсов на базе адаптивно-ландшафтного земледелия обеспечивают экономической устойчивости региона. Диверсификация посевных площадей, развитие инфраструктуры растен-иеводства и животноводства в низовьях реки Сырдарьи, то есть в условиях Кызылординской области одно из главных меры для восстановление и воспроизводства плодородия почвы и улучшение почвенно-мелиоративных состояния агроландшафтов. Для ведения научно обоснованных системы орошаемого земледелия необходимо предусмотреть размещения севооборотов и сельскохозяйственных культуры с учетом климатических, почвенно-мелиоративных условий агроландшафтов и уровня водообеспеченности административных районов Кызылординской области. Используя широко применяемый в географической практике принцип природной зональности, территорию Казахстана по условиям тепло- и влагообеспеченности можно проводить дифференциацию модели адаптивно-ландшафтного земледелия при диверсификации растениеводства в условиях Кызылординской области. На базы предложенных региональных моделей АЛСЗ [15] и выбора интегральных критериев разработана региональная модель адаптивно-ландшафтного земледелия для диверсификация растениеводства в условиях Кызылординской области (таблица 19). Таблица 15 - Диверсификация системы земледелия в условиях Кызылординской области
Продолжение таблицы 15
Таким образом, разработанная система диверсификация орошаемого земледелия и региональная модель АЛСЗ в условиях Кызылординской области позволяет при размещении производительных сил агропромышленного комплекса обосновать состав сельскохозяйственных культур, что позволяет создать высокопродуктивные и устойчивые агроландшафтные системы с учетом природно-климатических особенностей региона. 2.6.2 Районирование нормирование водопотребности сельскохозяйственных культур реки Сырдарья Оценка природной тепло – и влагообеспеченности территории Казахстана выполнена на основе интегральных показателей: коэффициента увлажнения (  ) и гидротермического коэффициента («индекса сухости») ( ), которые позволили на основе их дифференциации нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий (транспирация растений ( ), экологическая оросительная норма  ) и биологическая оросительная норма ( )) в низовьях реки Сырдарьи (таблица 20).Выражая составляющие транспирации растений (  ), экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий  ) и биологического дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) в долях их средних многолетних значений, ( , , ) определяем их модульный коэффициент [39; 78; 85;86; 87]:  ; ;  . (7)Таблица 15 – Среднемноголетние нормы водопотребности сельскохозяйственных культуры в низовьях реки Сырдарьи
В общем случае многолетнее колебание модульных коэффициентов  ,  ,  обобщается соответствующими интегральными кривыми распределения, или кривыми обеспеченности: ; ;  . (8)Сравнение фактической и теоретической кривых обеспеченности транспирации растений, экологической и биологической нормы орошения показывают, что совпадение между кривыми достаточно хорошее, особенно в средней части, то есть коэффициент асимметрии (  ) можно принять равным -1.0. Характер кривой  , и  показывают, что она обращена выпуклостью вверх, следовательно коэффициент ассиметрии в данном случае будет отрицательным, то есть  .В связи с тем, что значения транспирации растений ( ), экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологического дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) располагались в возрастающем порядке, значение числа « » в зависимости коэффициента ассиметрии ( ) определяется по таблице Рыбкина-Фостера, то есть берется не по номинальной, а по дополнительной (до 100-процентной) обеспеченности (например, для обеспеченности 0.5% число « » берется при 100-0.5=99.5 % обеспеченности).Транспирацию растений ( ), экологическую норму водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологический дефицит водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) расчетной вероятности ( ) определяют по формулам:  ; ;  , (9)где  ,  ,  - среднеквадратическое отклонение значения транспирации растений ( ), экологическая норма водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологический дефицит водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) от , и ;  , и - отклонение ординаты кривой вероятностей Пирсона III типа от середины для расчетной вероятности , и и коэффициента ежегодных значений транспирации растений ( ), экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологического дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур ( ). Для анализа этой закономерности был построен график зависимости коэффициента  , учитывающий отклонение транспирации растений ( ), экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологического дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) от его среднемноголетних значений ( , , ) от обеспеченности ( ) (рисунок 8) [29]. Рисунок 8 - График зависимости коэффициента  от обеспеченности ( ) [39]По результатам анализа и обобщения графика зависимости коэффициента от обеспеченности ( ) получена следующая зависимость:  ( ) с высоким коэффициентом корреляции [4].С учетом поправочных коэффициентов ( ) транспирация растений ( ), экологическая норма водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологический дефицит водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) расчетной обеспеченности в фиктивном году будут равны [29]:  ; (10) ; (11) . (12)Таким образом, разработанная методика для дифференциации нормы транспирации растений ( ), экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий ( ) и биологического дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур ( ) в пространственно-временном масштабе по водохозяйственным бассейнам Казахстана позволяют обосновать ресурсосберегающий поливной режим на стадии проектирования и эксплуатации мелиоративных систем, и может быть использована для создания высокоэффективных инновационной техники и технологических схем орошения, обеспечивающих дозирование оросительных норм с достаточно высокой точностью.Расчет нормированного водопотребности сельскохозяйственных культуры осуществляются в следующем порядке: 1. Определяются норма водопотребности сельскохозяйственных культуры для расчетного годо по водообеспеченности: ; (13) ; . (14)2. Сумма температуры воздуха за месяцы вегетационный период сельскохозяйственных культуры (  , оС):  , где – количество дней в месяцы. 3. Сумма температуры воздуха за вегетационный период сельскохозяйственных культуры:  , где  - количество месяцев за вегетационный период.4. Температурный показатель, учитывающий внутрисезонное распределение интегральной суммы температур воздуха за вегетационный период (по месяцам):  . (15)5. Месячные значения нормы водопотребности сельскохозяйственных культуры определяют по формуле:  ;  ;  . (16)Таким образом, создание программного обеспечения расчета нормы водопотребности агроландшафтов будет значительно расширять возможности мелиоративной службы при проведении мелиоративного мониторинга орошаемых земель, обеспечивающих улучшение и восстановление эколого-экономической устойчивости и стабильности агроландшафтов. 3 Безопасность труда и экология 3.1 Экологическое обоснование водосберегающей технологии мелиорации сельско-хозяйственных земель Основной целью мелиорации сельскохозяйственных земель является создание благоприятных условий не только для растений и почв, а также жизнедеятельности человека и соблюдения экологического равновесия агроландшафтных систем с наименьшими отрицательными последствиями для природной среды за счет управления биологическим и геологическим круговоротами воды и химических веществ. Однако, существующие принципы мелиорации сельскохозяйственных земель, базирующихся на водоемких технологиях, оказывают значительное влияние на экологию агроландшафта, то есть широкое развитие антропогенной деятельности резко нарушило практически все естественные процессы: изменился режим постоянных и временных водотоков речных систем; многократно усилились геохимические потоки за счет вовлечения в активный круговорот огромных масс солей, ранее «захороненных» природой; в пределах агроландшафтов и прилегающих к ним территорий изменились микроклимат, почвенные, биологические, гидрогеологические и экологические процессы, в результате чего появились техногенно-нарушенные ландшафты, требующие функционально-компо-нентную и структурную реконструкций их восстановления и нормализации [12-16]. При этом вековой опыт мелиорации сельскохозяйственных земель показывает, что человечество для создания оптимальных условий для культурных растений в агроландшафтных системах, несмотря на ограничен-ность водных ресурсов в зонах орошаемого земледелия, с целью получения рекордных и потенциальных урожаев, соответствующих энергетическим ресурсам природной системы, постоянно повышали нормы водопотребности орошаемых земель для регулирования геологического круговорота химических элементов в почвенных системах и, тем самым, снижая их экологическую эффективность. В результате в технологических процессах мелиорации сельскохоз-яйственных земель для формирования биологических масс культурных растений, направленных на регулирование и управление их основных факторов жизнедеятельности трансформированы нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий в зависимости от количественного роста: транспирации растительного покрова – экологической водопотребности сельскохозяйственных угодий - биологической водопотребности сельскохозяйственных культур – почвенно-мелиоративной водопотребности агроландшафтов для комплексного регулирования основных факторов жизнедеятельности растений – мелиоративно-промывной водопотребности агроландшафтов для регулирования гидрогеохимического режима почв и грунтовых вод. Таким образом, многообразные природные и технологические процессы при мелиорации сельскохозяйственных земель требуют комплексного изучения фундаментальных понятий о природной среде, которая представляет собой единую организованную систему, состоящую из ряда взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов – «приземный слой атмосферы – растений – почвы - подземные воды - поверхностные воды», к сожалению, не учитывались при решении вопросов природопользования в системе сельскохозяйственного производства и следовательно причинно-следственные их связи – «причина-процесс-следствие». Изменяющиеся условия в природе и в обществе ставят новые задачи перед мелиоративной наукой, решение которых необходимо для создания новых наукоемких технологий мелиорации сельскохозяйственных земель, требующих не только увеличение урожайности и объемов производства сельскохозяйственных продукций, но и требование сохранения плодородия почв, рационального использования и охраны других природных ресурсов. При этом следует отметить, стремление к повышению урожайности сельскохозяйственных растений и одновременно необходимость повышения плодородия почв и охраны природы вызывают противоречивые потребности регулирования биологического и геологического круговоротов на мелиорируемых агроландшафтах. В современных условиях, когда улучшение природной среды стало одной из общегосударственных целей, критерии экологической безопасности должны быть существенно расширены по сравнению с экономическими критериями, так как долговременные стратегические перспективы развития человечества (сохранение комфортной среды обитания) всегда выше кратковременных его хозяйственных интересов, реализации которых часто вызывает негативные последствия. В полной мере данное требование относится и к нормированию водо-потребности сельскохозяйственных угодий при мелиорации земель являющихся инструментами регулирования и управления биологическими и геологическими круговоротами воды и химических веществ агроландшафтных систем. Ключевыми вопросами выполнения этих экологических требований требует необходимости оценки экологической значимости составляющих элементов водного баланса агроландшафтов и их средообразующих функций при мелиорации сельскохозяйственных земель. Для оценки экологической значимости составляющих водного баланса агроландшафтных систем при мелиорации сельскохозяйственных земель можно использовать следующее уравнение [24; 39;45 ]:  , (17)где  - продуктивная почвенная влага, образующаяся из осенне-зимне-весенних атмосферных осадков (зеленая вода); - атмосферные осадки за вегетационный период (зеленая вода);  - объем естественной продуктивной влаги (зеленая вода);  - резуль-тирующий поверхностный сток, формирующийся в результате притока и оттока поверхностного стока (желтая вода);  - результирующий подземный сток, формирующийся в результате притока и оттока подземного стока (желтая вода);  - влагообмен между грунтовыми и почвенными водами (красная вода);  - суммарная водопотребность сельскохозяй-ственных угодий, которая состоит из транспирации растительного покрова (зеленая–голубая вода) и физического испарения (белая вода);  - компенсирующая норма брутто потребности расти-тельного покрова (голубая вода) для покрытия дефицита водопотребления сельскохозяйственных угодий, которая зависит от технологического процесса орошения;  - дренажный сток; - фильтрационные потери из оросительной сети;  - водообмен между грунтовыми и нижележащими межпластовыми водами (положительное направление – вверх).В деятельности естественных и антропогенных процессов в ландшафтных и агроландшафтных системах зеленой и голубой воды в зависимости от режима их функционирования, трансформируются белая, желтая и красная воды. При этом белая вода (  ) практически не участвует в формировании биологических масс растительного покрова, но оказывает косвенную деятельность в их жизнедеятельности. Желтая вода ( ) и ( ) также практически не участвует в процессе формирования биологических масс растительного покрова, но она формируется в следствии естественного гидрологического процесса. Красная вода, то есть фильтрационные потери из оросительной сети ( ), дренажного стока ( ) и фильтрационного стока в процессе аккумулирования голубой воды в почвенных слоях ( ), которая появляется и формируется в результате технологического процесса орошения (рисунок 6). Следовательно, белая ( ), желтая ( и ) и красная ( , и ) воды, практически не принимают участие в формировании биологических масс растительного покрова, а последние две активно участвуют в разрушении экологической устойчивости природной системы, то есть их коэффициент полезного действия для сельскохозяйственного производства равно нолю. Для приведения экологическим требованиям повышенного статуса нормирования водопотребности сельскохозяйственных угодий есть один путь – формирование этих требований представлять в виде ограничений целевой функции. В этой связи определим, что орошение сельскохозяйственных культур должно проводиться таким образом, чтобы было исключено негативное влияние на окружающую среду (ограничения функции цели), то есть обеспечивала интенсивность и направленность почвообразовательного процесса соответственно эволюционному процессу и максимального использования солнечной энергии на почвообразовательный процесс с минимальными затратами водных ресурсов для формирования биологических масс сельскохозяйственных культур.  Рисунок 6 – Экологическая значимость элементов водного баланса орошаемых земель [5] 4. Экономическая часть 4.1 Моделирование транспирационной деятельности сельскохозяйственных угодий Урожай сельскохозяйственных культур в конечном итоге формируется в результате продукционного процесса (  ), представляющего собой сово-купность сложных физико-химических реакций, используемых растительным организмом для образования биомассы. Выявление центрального звена , лимитирующих факторы и регуляторные механизмы этого процесса имеет важное значение в создании эффективных агробиологических технологий [19].При этом на основе построения имитационных моделей , представ-ляющей собой технологическую линию по производству биомассы в агроландшафтах, на входе которой находятся факторы жизни, на выходе - урожай, можно определить функциональную деятельность транспирации растительного покрова. Продукционный аппарат ( ) модели состоит из трех, последовательно соединенных между собой биоблоков, в первой из которых осуществляется фотосинтез с образованием глюкозы, во второй - биосинтез с образованием разного рода субстратов, а также дыхание для разрушения (во избежание интоксикации) той их части, которая не входит в генетически обусловленный ассортимент и оказывается не востребованной растением, в третьей - высокомолекулярный биосинтез - основа образования веществ для ростовых и генеративных органов. Рассмотрение модели поз-воляет выявить центральное звено, движущую силу продукционного процесса, то есть роль транспирации ( ). В отличие от космических факторов жизни, которые находятся в постоянном контакте с и легко проникают в растительный организм радиационно или диффузно, почвенные факторы для этого требуют дополнительного механизма, а именно - транспирации, возбуждающей непрерывающийся в течение всего жизнен-ного цикла восходящий ток воды и растворенных в ней питательных веществ из почвы по капиллярам к листьям. Она является генератором , сердцем живого растительного организма, превращая его из статической в динамическую, диалектически целостную, биологическую систему. Остановка транспирации означает прекращение водно-минерального питания клеток и, как следствие, гибель растения. Более того, интенсивность транспирации, характеризуя степень гидратации хлоропласта и минеральной насыщенности цитоплазмы, определяет, в конечном счете, и производительность в целом. Вот почему космические факторы жизни, в частности ФАР, хотя и находятся в окружающей среде в достатке, используются растениями даже в самые благоприятные по метеорологическим условиям годы и при наличии почвенных факторов в оптимуме не более чем на 12-15% [10]. Таким образом, транспирация – это процесс испарения воды живыми растениями на жизненные процессы, рост и образование тканей. Интенсивность транспирации зависит от вида растения, дефицита влажности воздуха, его температуры, скорости ветра, влажности и температуры почвы, экспозиции, глубины залегания грунтовых вод и другие. Величина транспирации оценивается транспирационным коэффициентом - количеством килограммов воды, необходимым для синтеза 1 кг сухого органического вещества тканей растений. Скорость транспирации (  ) можно определить по уравнению [11]: , (18)где  - транспирационный коэффициент;  - объем образовавшейся на какой-либо площади сухой ткани растений; - время вегетационного периода; - площадь транспирации.Большой интерес для дальнейшего совершенствования технологии оро-шения сельскохозяйственных культур вызывают структуры самого суммар-ного водопотребления орошаемых земель. Суммарное водопотребление орошаемых земель ( ) состоит из транспирации с листовой поверхности растений ( ) и физического испарения ( ) с поверхности почвы, то есть  . Как известно, потенциальная эвапотранспирация подразделялась на потенциальное испарение с поверхности почвы ( ) и потенциальную транспирацию ( ) пропорционально затененности почвы растительным покровом ( ), которая изменялась по времени [31]:  ;  .Это виды испарения редуцировались на каждом временном шаге:  ;  ;  . (19)При влажности поверхностного слоя почвы  ,  эти зависимости согласуются, например, с исследованиями А.И. Будаговского [31]: ;  ;  , (20)где  - коэффициент, учитывающий уменьшение транспирации при отклонении влажности почвы от оптимальной;  - средняя влажность корнеобитаемого слоя почвы, переменная по времени;  - средняя влажность корнеобитаемого слоя почвы, оптимальная в данном месяце;  - влажность завядания.По сущности физическое испарение с поверхности почвы ( ) не участвует в формировании биомассы сельскохозяйственных культур и являются не продуктивными затратами воды, которые зависят от технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Так как современные технологии орошения и возделывания сельскохозяйственных культур не позволяют их исключить из структуры водного баланса орошаемых земель, несмотря, на то, что они составляют почти половину суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур, и возникает необходимость их учитывать при определении водопотребности сельскохозяйственных угодий.Поэтому, совершенствование технологии возделывания сельскохозяйственных культур в любом этапе развития мелиорации сельскохозяйственных земель должно быть направлено на ликвидацию физических испарений, которые не участвуют в продукционном процессе растительного покрова и являющихся непродуктивной частью суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур, а на практике получилось наоборот, искали пути их увеличения. Как известно, потенциально возможная транспирация ( ) и максимально возможное физическое испарение ( ) из почвы являются произведением испарения ( ), относительной площади листьев ( ) и влажности корнеобитаемого слоя почвы ( ) (рисунок 7). Рисунок 7 – Зависимость нормированных величин транспирации (а) и испарения с почвы (б) на посевах сахарной свеклы от относительной площади листьев  (Чуйская долина Кыргызстан)Для построения зависимости, учитывающей динамику площади листьев посева ( ), использованы данные Т.Ю. Юсупова [23], аппроксимация которых дает следующее выражение [24]: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||