Российский государственный социальный университет Факультет экологии и техносферной безопасности рубежный контроль 3 по дисциплине Расчет и проектирование систем обеспечения техносферной безопасности
 Скачать 41.32 Kb.
|
РУБЕЖНЫЙ КОНТРОЛЬ 3 по дисциплине «Расчет и проектирование систем обеспечения техносферной безопасности»Контроль пригодности воды для орошения при выборе источника орошения
Москва 2018 Содоустойчивость – это способность почвы активно противодействовать появлению соды в почвенном растворе при орошении минерализованными водами или близком залегании грунтовых вод, содержащих натрий. Устойчивость почв к содовому засолению зависит от количества и качества солей в почве, емкости поглощения, состава поглощенных оснований, гранулометрического состава почв, степени окисленности минеральных и органических соединений почвы, наличия кислот и других соединений, вступающих в реакцию с содой. По Бобкову В.И., при слабой содоустойчивости почв содовое засоление может наблюдаться в первые годы орошения. На почвах с высокой содоустойчивостью соду трудно обнаружить даже в течение ряда лет, вследствие ее нейтрализации соединениями почвы. Однако, если своевременно не принять меры к предотвращению содообразования, содоустойчивость почв ослабляется, и плодородие почв снижается. Содоустойчивость выражается в мг-экв поглощенной соды на 100 г почвы. В несодоустойчивых почвах поглощается до 10 мг-экв соды на 100 г почвы (это солонцовая и солончаковая почвы, а также малогумусные песчаные и супесчаные с низкой емкостью поглощения). В очень слабо содоустойчивых почвах показатель содоустойчивости 10-20 мг-экв/100 г. Это, в основном, солонцовые почвы, в которых периодически появляются ионы СО32- и почти полностью отсутствуют водорастворимые соли двухвалентных катионов. В слабосодоустойчивых почвах показатель содоустойчивости равен 20-35 мг-экв/100 г. Это, в основном, несолонцеватые и слабосолонцеватые почвы с достаточно высокой емкостью поглощения, содержание в почвенном профиле, содержащие в своем профиле гипс и другие водорастворимые кальциево-магниевые соли. Почвы со средней содоустойчивостью имеют показатель содоустойчивости 35-50 мг-экв/100 г почвы. К ним относятся солонцеватые почвы или отдельные горизонты почв, имеющие высокую емкость поглощения и содержащие много гипса и водорастворимых кальциево-магниевых солей. Такой содоустойчивостью обладают также кальциевые и магниевые солончаки и ненасыщенные основаниями почвы. Почвы с высокой содоустойчивостью имеют показатель содоустойчивости более 50 мг-экв/100 г почвы. К ним относятся несолонцеватые почвы или отдельные горизонты, обладающие очень высокой емкостью поглощения, с очень большим содержанием водорастворимых кальциево-магниевых солей, а также почвы, ненасыщенные основаниями. Следует отметить, что большая емкость поглощения почвой соды еще не свидетельствует о возможности орошения такой почвы минерализованными водами, содержащими много натрия. Чем больше поглощается почвой натрия, тем больше его там и накапливается и тем вероятнее последующие неблагоприятные изменения –физических свойств почв, тем труднее последующее улучшение свойств почв. Это наглядно проявляется при сравнении последствий орошения минерализованными водами почв легкого и тяжелого гранулометрического состава. Развитие эрозии Орошение почв сопровождается развитием ирригационной эрозии. При дождевании происходит разрушение структуры почвы, в основном, за счет кинетической энергии падающих капель. При поливе по бороздам происходит разрушение почв за счет потенциальной энергии стекающей воды. Почвы разного гранулометрического состава и различных почвенных типов в неодинаковой степени устойчивы к развитию эрозии. На практике, в основном, оценивают и учитывают в проектах устойчивость почв к ирригационной эрозии под действием потенциальной энергии движущейся по склону воды. С учетом свойств почв и рельефа, выбирают технологически приемлемые углы наклона поливных борозд, длину борозд и скорость потоков воды. 4. Особенности мониторинга орошаемых почв Особенностью проведения мониторинга при орошении почв является обязательная оценка способов полива, состава поливных вод (их засоление и загрязнение), учет норм полива и продолжительности орошения. Так, например, при орошении дождеванием существенные изменения происходят в слое 0-50 см, а при орошении напуском – в слое до 100-150 см. Приходится сочетать локальный мониторинг с региональным, так как изменениям подвергаются не только неорошаемые участки в пониженных элементах рельефа, но также участки в нижнем течении рек, в которые сбрасываются оросительные воды. В ряде случаев происходит выклинивание оросительных вод и на значительном расстоянии от орошаемой территории, что связано с гидрологией участков. Учитывают, что при орошении происходят существенные изменения биоты, почв, растительности, рельефа, геологического строения, водной и воздушной среды. При этом происходит подтопление сопредельных территорий, поднятие уровня грунтовых вод, наблюдаются просадки, карстовые явления, динамические сдвиги и т.д., возникают новые геохимические барьеры. В водной среде увеличивается количество кальция, железа, марганца, алюминия, калия, нитратов, углерода, пестицидов и т.д. Следует прогнозировать вспышку щелочности при поливах и усиление сульфатредукции и резкое повышение концентрации сероводорода. В воздушной среде увеличивается концентрация углекислого газа, аммиака, сероводорода, метана, ацетилена и ряда других газов. В почвах происходит засоление, осолонцевание, потеря структуры, увеличение восстановленности почв с образованием Fe2+, Mn2+, увеличивается подвижность железа, алюминия, марганца, сероводорода, углекислого газа, происходит заиливание почв, увеличение их липкости и вязкости. Следует отметить, что разные способы орошения, орошение в разных по гидротермическому режиму районах и на разных почвах приводит и к неодинаковому изменению свойств почв, состава почвенного воздуха и грунтовых вод. Поэтому и параметры, оцениваемые при мониторинге орошаемых почв, в разных районах будут отличаться. Нет смысла оценивать содержание водо-растворимых солей в таежно-лесной зоне или сероводорода при отсутствии в почве соединений серы. Вряд ли можно ожидать увеличения содержания алюминия, марганца, железа в грунтовых водах при поливе песчаных почв и т.д. 5. Экологические ограничения при выборе способов орошения почв» Способы орошения в значительной степени зависят от свойств почв, рельефа, уровня грунтовых вод и их состава, климатических условий, состава поливных вод. Как указывается в работе «Агроэкологическая оценка земель …» (2005), при орошении засоленных почв важное значение имеет выбор способов орошения и их комбинаций. Известные способы орошения (поверхностное, дождевание, аэрозольное или мелкодисперсное, внутрипочвенное, субирригация, капельное) имеют определенные преимущества и недостатки, которые следует учитывать сообразно мелиоративным и климатическим условиям. При всех видах поверхностного орошения — напуском по полосам, бороздам или затоплением вода движется по поверхности почвы. Преимущество полива по полосам, применяемого на культурах узкорядного, сплошного сева и при влагозарядковых поливах, заключается в том, что равномерный слой воды, покрывающий поверхность почвы, не вызывает перераспределения солей, их миграции к неполитым участкам поверхности. Недостаток этого способа — коркообразование, разрушение структуры, ирригационная эрозия. Полив по бороздам, применяемый для орошения пропашных культур, плодовых насаждений и виноградников, наиболее экономичен по сравнению с другими видами поверхностного орошения, поскольку позволяет применять значительно меньшие поливные нормы и не требует больших объемов планировочных работ. Он не вызывает столь интенсивного разрушения структуры почвы, как полив по полосам. Недостаток его — выпотевание солей на гребнях поливной борозды, что приводит к страданию растений, особенно проростков. Наиболее древний способ орошения — полив затоплением применяют для возделывания культур, устойчивых к затоплению, а также для влагозарядки, промывки почв от солей. Этот способ прост, высокопроизводителен, обеспечивает равномерное покрытие поверхности почвы водой, благодаря чему происходит равномерное оттеснение солей в глубокие слои почвы. Серьезные его недостатки — высокие поливные нормы, опасность быстрого подъема уровня грунтовых вод, развитие анаэробных процессов, ухудшение физических свойств почв. Данный способ является основным при возделывании риса. При этом на сильнозасоленных почвах с коэффициентом фильтрации менее 0,5 см/сут. применяется режим укороченного затопления, при котором всходы не затапливают. На почвах с коэффициентом фильтрации более 2 см./сут. практикуют прерывистое затопление с интервалом 5-6 суток. Большими достоинствами характеризуется способ полива растений с применением механизированных дождевальных агрегатов. При дождевании достигается строго нормированная подача воды, не требуется слишком тщательная планировка поверхности почвы, отпадает необходимость устройства выводных и распределительных борозд, повышается коэффициент земельного использования. Недостатки дождевания: неравномерность полива в ветреную погоду и при повышенных поливных нормах, возникновения стока, эрозии. Дождевание нельзя использовать для влагозарядки и промывки засоленных почв. В сухостепных и аридных районах не обеспечивается глубокое промачивание почвы, возникает необходимость увеличения числа поливов, затрат энергии. Орошение дождеванием даже при небольшой минерализации воды при частых поливах может вызывать засоление почв. Поэтому в сухостепной и полупустынной зонах дождевание сочетают с поверхностным орошением. Первое используется для проведения вегетационных и освежительных поливов, второе — для влагозарядковых поливов и промывки почв от водорастворимых солей. Довольно распространенным видом орошения является, так называемая, субирригация — регулирование уровня грунтовых вод на мелиоративных системах с помощью шлюзов. Все большее развитие получают аэрозольное, капельное, внутрипочвенное орошение. Последнее, однако, не применимо на засоленных почвах с близким залеганием минерализованных грунтовых вод. При капельном орошении также возможно вторичное засоление почвы. Накопление солей происходит по периферии контура увлажнения в результате капиллярного влагопереноса. Вовлечение засоленных почв в активный сельскохозяйственный оборот путем орошения приводит к сложным их изменениям, которые носят как положительный, так и негативный характер. Общим для всех орошаемых массивов является подъем уровня грунтовых вод. Интенсивность этого процесса зависит от мелиоративных условий, конструкции оросительных систем и характера их эксплуатации. В условиях технически несовершенной водопроводной и распределительной сети при неупорядоченном водопользовании и несоблюдении поливных норм и режимов орошения, скорость подъема уровня грунтовых вод может достигать 1-2 м/год, в то время как при дождевании в условиях закрытой оросительной сети скорость их подъема не превышает 0,2-0,6 м/год. Вторичное засоление — главная причина неудач при орошении земель в полуаридных и аридных районах земного шара. Оно возникает в результате перемещения к поверхности водорастворимых солей из глубоких слоев почвообразующих и подстилающих пород и грунтовых вод или в результате орошения минерализованными водами. Оно может быть связано и с притоком минерализованных грунтовых вод с вышерасположенных орошаемых массивов. Угроза вторичного засоления возрастает по мере повышения уровня грунтовых вод и степени их минерализации. Уровень грунтовых вод, при котором происходит накопление солей в верхних горизонтах почв, приводящее к угнетению и гибели сельскохозяйственных растений, называется критическим. Этот уровень зависит, прежде всего, от водоподъемной способности грунтов и изменяется, в зависимости от гранулометрического состава, преимущественно, в пределах 1,5 до 3,5 м. При этом наиболее высокой способностью к капиллярному подъему воды характеризуются средние суглинки, особенно лессы (до 3,5 — 4 м); в тяжелосуглинистых породах она снижается до 2 м, в тяжело-глинистых до 1,5 м, в песчаных и супесчаных до 0,5 — 1,5 м. Критический уровень грунтовых вод зависит также от их минерализации. Чем она выше, тем с большей глубины грунтовые воды могут вызывать засоление почв. Опасность вторичного засоления возрастает по мере усиления засушливости климата. По данным Зимовца Б.А., при глубине грунтовых вод 1,0-1,5 м и минерализации 3-5 г/л ежегодная прибавка солей в верхнем метровом слое южных черноземов и темно-каштановых почв не превышает 0,03-0,05%, с увеличением минерализации до 7-10 г/л прибавка солей возрастает до 0,07-0,09%. Для подзоны каштановых и светло-каштановых почв темпы сезонно-годового соленакопления более высокие: при том же уровне и минерализации грунтовых вод они достигают 0,0-0,07%. В то же время, в гидроморфных каштановых почвах многолетняя и сезонно-годовая активность соленакопления остается в 2-3 раза ниже активности соленакопления в гидроморфных почвах сероземной зоны, особенно при глубине грунтовых вод 2-3 м. Если для регулирования солевого режима орошаемых черноземных и каштановых почв в полугидроморфных условиях можно использовать дождевание, то в пустынных условиях оно не обеспечивает оптимизации водно-солевого режима орошаемых почв ни в автоморфных, ни в гидроморфных условиях, особенно при минерализованных грунтовых водах (5-10%). При близком их залегании к поверхности (2-3 м) за вегетационный период в корнеобитаемом слое накапливается свыше 0,3% солей. Для удаления избытка солей требуется дополнительный влагозарядковый полив поверхностным способом. Относительно слабая активность сезонно-годового соленакопления в корнеобитаемом слое орошаемых почв сухостепной зоны позволяет использовать субирригацию при пресных и слабоминерализованных грунтовых водах и удовлетворительном их оттоке. При необеспеченном естественном оттоке грунтовых вод оптимизировать водно-солевой режим глубокозасоленных черноземных и каштановых почв в гидроморфных условиях возможно только на основе инженерного дренажа. В целом критические параметры солевого режима, зависящие от перечисленных факторов, должны устанавливаться для конкретных условий на основе практического опыта. Реальная опасность вторичного засоления пахотного слоя черноземных, каштановых почв и солонцов существует при очень слабом естественном оттоке минерализованных грунтовых вод (более 5-7 г/л), залегающих на глубине 1,0-1,5 м и выше. Вторичные солончаковые почвы и солончаки формируются, прежде всего, в богарных вторично гидроморфных условиях, которые наблюдаются на периферии орошаемых массивов, вблизи открытых оросительных каналов, не имеющих защитных средств от инфильтрации. Солевой режим орошаемых почв в большой мере определяется способами и режимами орошения соответственно глубиной промачивания при орошении. Различают мелкое промачивание — до 0,5 м, среднее промачивание — до 1,0 м и глубокое — более 1,0-1,5 м. При этом глубина промачивания влияет не только на оценку водно-солевого режима корнеобитаемого слоя, но и на гидрогеологическое и геохимическое состояние ландшафта. При поверхностных способах полива, обеспечивающих, как правило, глубокое промачивание почв, создается промывной режим орошения. В условиях открытой оросительной сети происходят большие потери на инфильтрацию, и при отсутствии дренажа наблюдается подъем уровня грунтовых вод и увеличение их минерализации. На фоне дренажа интенсивный промывной режим орошения приводит к другим неблагоприятным последствиям. Они связаны с большим расходом пресных поливных вод, активизацией процессов миграции солей из древних аккумуляций, законсервированных в глубоких слоях зоны аэрации, поступлением этих солей в общий гидрогеохимический сток, ухудшением качества речной воды в нижних частях бассейнов рек. Промывной режим орошения на фоне интенсивного дренажа нередко приводит к ощелачиванию почв и грунтовых вод за счет десорбции обменных натрия и магния. При промывном водном режиме почти повсеместно наблюдается ухудшение свойств почв, связанных с разрушением и потерей органического вещества, гипса, карбоната кальция, дезагрегацией структуры почв, уплотнением пахотного и подпахотного горизонтов, выносом питательных элементов. Иначе складывается водно-солевой режим при дождевании из закрытой оросительной сети, при котором почвы промачиваются на глубину не более 0,5-1 м. В результате орошения широкозахватной техникой с поливной нормой не более 350-450 м3/га в глубокозасоленных черноземных и темно-каштановых почвах формируется непромывной водный режим, обеспечивающий сохранение природных запасов солей на глубине 2 м и более. Периодически промывной водный режим формируется лишь в лугово-черноземных и лугово-каштановых почвах, расположенных в микропонижениях, через которые осуществляется потускулярное (очаговое) пополнение грунтовых вод. В совокупности задач, которые приходится решать при эксплуатации ирригационных систем в районах массового орошения все более обостряется проблема утилизации дренажного стока, которая ранее не возникала при локальном орошении. Пока что она остается нерешенной ни в технико-экономическом, ни в экологическом аспектах, хотя разрабатываются различные варианты решений, в том числе: сброс минерализованных вод в местные понижения; отвод их в море; закачка в глубоко залегающие водоносные слои; использование на промывку и освоение солончаковых почв; очистка и опреснение, в том числе на атомных станциях. Важнейшим условием орошения является оптимальное качество оросительной воды. При оценке пригодности воды для полива учитывается опасность засоления, осолонцевания почв, подщелачивания, загрязнения токсичными веществами. Успех мелиорации засоленных почв зависит от характера их использования в мелиоративный и последующий периоды. Определяющую роль в данном отношении играет выбор культур и технологий их возделывания. Растения облегчают проведение мелиорации уже на начальном этапе. Реставрация засоления на промытых почвах чаще наблюдается в тех случаях, когда после промывки они остаются неосвоенными. При отсутствии значительного растительного покрова усиливается перенос солей к поверхности промытой почвы. Угроза этих вторичных процессов особенно велика, если в почве сохраняется значительное остаточное засоление. В тех случаях, когда необходимо промыть сильнозасоленную почву, опреснение которой не может быть достигнуто в течение одного промывного сезона, применение специальных культур — осваивателей особенно важно. При этом, помимо затенения поверхности почвы, существенную роль играет разрыхляющее действие корневой системы, улучшение структуры почвы, фильтрационной способности. Сильное воздействие на водно-солевой режим и физические свойства почв оказывает культура многолетних трав, особенно люцерны. Она благоприятствует значительному ускорению мелиоративного процесса. Благодаря высокой транспирации (10000-18000 м3/га) на полях с хорошо развитой люцерной в течение вегетационного периода уровень грунтовых вод часто на 70-100 см ниже, чем на соседних полях с пропашными культурами. В качестве культуры — осваивателя, на недопромытых почвах нередко используется подсолнечник, обладающий высокой солеустойчивостью. Он развивает большую массу, потому хорошо затеняет поверхность почвы и улучшает ее свойства. При использовании орошаемых засоленных почв следует стремиться к максимальному сокращению периода, в течение которого почва остается без растительного покрова, поэтому там, где невозможно получить два урожая, следует практиковать пожнивные культуры. Учитывая повышенную уплотняемость почв при орошении, необходимо предусматривать в системе обработки почвы глубокие вспашки и рыхления. В качестве важного мелиоративного мероприятия, своего рода «биологического дренажа» следует рассматривать посадку 2-3-рядных лесополос вдоль всех постоянных элементов оросительной сети. Лесные насаждения расходуют большое количество грунтовых вод на транспирацию. Один гектар насаждения древесных пород может транспирировать 10000-20000 м3/га грунтовых вод. Лесополосы вдоль оросительных каналов снижают уровень грунтовых вод на 1 м и более, создавая уклон их к каналу. Кроме того, полосные лесонасаждения уменьшают скорость ветра, ослабляют физическое испарение влаги с поверхности почвы, уменьшают сухость воздуха. Выбор древесных пород производится с учетом степени засоленности почв. Длительное использование почв в условиях орошения оказывает существенное влияние на их эволюцию и агрономические свойства. В зависимости от исходного состояния почв, режимов орошения и технологий возделывания сельскохозяйственных культур изменяется их мелиоративное состояние. При орошении черноземных, каштановых и других почв с глубоким засолением в ирригационно-автоморфных условиях с использованием кондиционных оросительных вод в условиях высокой культуры земледелия, применения органических и минеральных удобрений, травосеяния и сидерации существенных изменений в генетических признаках этих почв не происходит. Компенсация недостатка воды и питательных веществ орошением и удобрениями определяет значительное повышение их производительности. Примеры высокоэффективного использования орошаемых почв достаточно многочисленны, особенно в районах с высокой ирригационной культурой населения. При различных нарушениях ирригационно-агротехнического комплекса в автоморфных почвах происходит снижение содержания гумуса, питательных элементов (в связи с высоким урожаем и потерями в результате нисходящей миграции), уплотнение почвы, но эти изменения находятся в пределах их генетических характеристик. Иначе складывается эволюция почв при близких и минерализованных грунтовых водах, а также использовании поливных вод повышенной минерализации. В ирригационно-гидроморфных условиях, не обеспеченных дренажом, в черноземных, каштановых и других почвах формируется новый солевой состав, который отражается не только на родовых, но и типовых признаках. Эти почвы переходят в категорию солонцово-солончаковых. В зависимости от состава и концентрации грунтовых и поливных вод и климатических условий длительность этих преобразований составляет от 2-3 до 8-10 лет. Сильно снижается производительность почв в результате ощелачивания. В качестве критического уровня, начиная с которого существенно снижается урожайность культур и требуется мелиоративные мероприятия, считается величина общей щелочности 1,4 мг-экв/100г почвы, в том числе токсичной 1,0 мг-экв/100 г. В условиях щелочной реакции в орошаемых почвах усиливаются потери органического вещества. При поверхностных способах полива наблюдается заметное повышение плотности почвы. По данным А.Г. Бондарева, на почвах каштаново-солонцового комплекса оно прослеживается до глубины 1,0-1,5 м при наибольших изменениях (на 0,2-0,4 г/см3) на глубине 0,3-0,9 м. При орошении дождеванием увеличение плотности почвы отмечено на глубине до 40-60 см. На уплотнение орошаемых почв наряду с физико-химическими процессами сильное влияние оказывает давление ходовых систем сельскохозяйственной техники. Специфический характер ухудшения почв связан с периодическими переполивами, когда формируется застойно-промывной водный режим с частой сменой аэробных и анаэробных условий. В результате развивающихся элювиально-глеевых процессов происходит вынос оснований, подкисление среды, повышение дисперсности органического вещества, происходит деградация черноземных и каштановых почв. Особый путь эволюции претерпевают почвы с высоким исходным засолением, особенно солончаки. Под влиянием комплекса ирригационно-агротехнических мероприятий в них формируются новые режимы свойства, постепенно приближающие их к зональным орошаемым почвам. Однако при нарушении мелиоративных режимов происходит довольно быстрая реставрация процессов засоления, особенно в ирригационно-гидроморфных условиях. Создание оросительных систем на засоленных почвах часто имеет неблагоприятные экологические последствия, связанные с тем, что дренажный сток транспортирует в водоприемник большие количества солей, различных токсичных соединений (остатков пестицидов и их дериватов, тяжелых металлов). Происходит повышение концентрации солей в водах водоисточников, их эвтрофикация. В связи с этим весьма актуальна проблема сокращения дренажного минерализованного стока с оросительных систем. Она может быть решена прежде всего путем пересмотра поливных норм, опреснения поверхностных горизонтов способом вмывания, усиления роли биологического дренажа и другими средствами. |
