Водопользование в сельском хозяйстве

По объему потребления воды сельское хозяйство значительно превосходит все другие отрасли народного хозяйства РФ. Использование водных ресурсов в сельском хозяйстве распределяется следующим образом, %: 90,5 – орошение, обводнение; 5,3 – сельское водоснабжение; 4,2 – производственные нужды села; 0,1 – хозяйственно-питьевые нужды.

Водопользование в сельском хозяйстве включает орошение, водоснабжение и обводнение земель. В водохозяйственный комплекс входят также системы осушения переувлажненных и заболоченных угодий, сооружения сброса дренажных вод (после промывки засоленных земель) и другие коллекторно-дренажные сооружения.

Продуктивность земельных угодий в значительной мере зависит от их влагообеспечения. Поэтому важнейшей задачей сельскохозяйственного водопользования в деле обеспечения высокой продуктивности сельскохозяйственных культур является поддержание влажности почвы в необходимых пределах на протяжении всего вегетационного периода.

Орошение и обводнение. Регулирование естественной влажности почвы осуществляется в результате реализации мелиоративных мероприятий. Главной задачей мелиорации земель является обеспечение устойчивости и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, повышение производительности труда и рост доходов предприятий. Мелиорация позволяет вовлекать в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные и ранее неиспользованные земли, преобразуя их в высокопроизводительные сельскохозяйственные угодья.

Мелиорация – совокупность организационно-хозяйственных и технических мероприятий по коренному улучшению земель с неблагоприятными водными и воздушными режимами, подвергшихся физическому действию ветра или воды. Внедрение мелиорации обеспечивает устойчивость урожаев и способствует рациональному и комплексному использованию водных и земельных ресурсов.

В отличие от агротехнических мероприятий (вспашка, боронование, борьба с сорняками и др.), действие которых, как правило, продолжается не более года и в течение этого времени окупается прибавкой урожая, действие мелиоративных мероприятий рассчитано на долгие годы. Построенная оросительная система в корне изменяет условия произрастания сельскохозяйственных культур на орошаемой территории, и ее действие продолжается десятилетия, пока узлы и сооружения находятся в исправном состоянии.

Ирригация земель основана на использовании поверхностных или подземных вод, а также сточных вод промышленных и коммунальных объектов.

Оросительные мелиорации включают комплекс мероприятий по искусственному увлажнению почвы, осушительные – по удалению из почвы избытка влаги. Двойное регулирование влажности обеспечивает и искусственное увлажнение почвы, и удаление из нее избытка влаги.

Опреснительные мелиорации обеспечивают удаление из почвы избытка солей, вредных для сельскохозяйственных культур. Противоэрозийные мелиорации предотвращают потери сельскохозяйственных угодий вследствие водной или ветровой эрозии.

Мелиоративные мероприятия, применяемые для улучшения земельных угодий, подразделяют на несколько видов:

• гидротехнические – оросительные, обводнительные или дренажные системы, плотины, водозаборные устройства, каналы;

•    агротехнические – специальная обработка почвы (мелиоративная вспашка, профилирование, плантаж, а также применение правильных севооборотов, сроков и норм полива);

•    химические – внесение в почву органических и минеральных удобрений, химических веществ (извести, гипса и др.), ядохимикатов;

•    лесотехнические – полезащитные лесополосы и противо-эрозионные лесонасаждения, облесение и закрепление песков, оврагов, горных склонов и берегов рек, а также улучшение лесных угодий;

•    рекультивационные – восстановление профиля и плодородия почв территорий, использованных ранее под карьеры, рудники, горные выработки, и возвращение их в сельское хозяйство;

•    культурно-технические – удаление леса и кустарников, корчевка пней, удаление камней, планировка (выравнивание) поверхности и др.

Системы орошения (ирригации) содержат следующие элементы: сеть каналов различных порядков, насосные станции, сооружения на каналах, а также оградительные дамбы, дороги, линии связи и противоэрозионные гидротехнические сооружения.

Оросительные системы по времени действия или периодичности работы могут быть регулярными и разового действия. К первым относят самотечное, механическое и смешанное орошение, ко вторым – паводковое и лиманное.

В состав сооружений регулярного действия с поверхностным способом орошения входят: источник орошения, головное водозаборное сооружение, магистральный канал и каналы второго, третьего и других порядков, оросительные борозды, водосборные каналы и сооружения на них. Выбор варианта решения и компоновка элементов системы производится с учетом природных условий на основе технико-экономического анализа, учитывающего методы производства работ и условия эксплуатации систем.

Оросительная система проектируется по следующей схеме (рис. 8): магистральный, или главный, самотечный канал, прокладываемый по наивысшим отметкам местности так, чтобы уровни в нем могли господствовать над всей орошаемой площадью, а вода могла самотеком поступать в каналы низших порядков; распределительный канал, проводимый по максимальному уклону местности и обслуживающий отдельные поля севооборота; оросители – временные земельные каналы, распределяющие воду через нарезные оросительные борозды внутри полей севооборота; водосборные каналы (или закрытые дрены) для удаления излишней воды.

К сооружениям оросительной сети относятся: головной шлюз-регулятор открытого либо закрытого типа, подпорные или перегораживающие сооружения, сбросные (концевые) шлюзы.

Рис. 8. Схема оросительной системы:

А – зона самотечного орошения; Б – зона машинного орошения; 1 – река; 2 – головное сооружение; 3 – холостая часть магистрального канала; 4 – насосная станция; 5 – напорный трубопровод; 6 – открытый бассейн; 7 – ветвь магистрального канала; 8 – межхозяйственное распределение; 9 – рабочая часть магистрального канала; 10 – дюкер; 11 – водо-отводящие каналы; 12 – ГЭС; 13 – внутрихозяйственные распределители; 14 – сбросной канал.

Осушение проводится на избыточно увлажненных землях сельскохозяйственных угодий и представляет собой комплекс мероприятий по искусственному удалению части поверхностных и подземных вод и понижению уровней грунтовых вод. Наиболее широко развито горизонтальное осушение земель.

При осушении сеть открытых каналов неглубокого заложения или закрытых дрен и труб собирает воду с осушаемой территории и отводит ее самотеком в водоприемник (рис. 9).

Рис. 9. Схема осушительной системы:

1 – водоприемник; 2 – магистральный канал; 3 – открытый коллектор; 4 – открытые осушители; 5 – нагорно-ловчий канал; 6 – полевая дорога; 7 – труба переезда; 8 – устьевое сооружение; 9 – закрытые дрены; 10 – закрытый коллектор; 11 – смотровой колодец

В состав осушительных систем входят: оградительные устройства: дамбы, нагорные и ловчие канавы, предупреждающие поступление поверхностных и грунтовых вод на осушаемую площадь; регулирующие сооружения – каналы из открытой сети (осушители и собиратели) и дрены – на закрытой, понижающие уровень грунтовых вод до проектной отметки; проводящие сооружения: открытые коллекторы, магистральный канал или трубопроводы (при закрытой сети), принимающие воду от оградительных устройств и регулирующих сооружений и отводящие ее к водоприемнику.

Водоприемники обычно располагаются в балках, оврагах и руслах реки.

В систематическом орошении нуждаются 64 % пашни, около половины всех сенокосов и свыше 90 % пастбищ. Среднегодовой объем воды, расходуемой в России на орошение, составляет 909 км3/год.

Для успешного произрастания каждое растение должно получать определенное количество воды, тепла, света и элементов питания. Регулирование количества тепла и света пока практически не достигнуто современной агротехникой, и задача земледелия состоит в регулировании водного и питательного режимов растений путем современных поливов и внесения удобрений. Урожаи на орошаемых землях выше и лучшего качества, чем на неорошаемых.

Количество воды, потребляемое за вегетационный период, определяется формулой

Т = εУ,

где Т – транспирация (потребление воды данным видом растения), м3/га; ε – удельная транспирация (водопотребление), м3/ц; У –  урожай культуры, ц/га.

Числовое значение ε зависит от вида культуры, климатических факторов, типа почв, урожайности. Например, значения ε для пшеницы – 40...180 м3/ц; кукурузы – 60...150 м3/ц; сахарной свеклы – 5...30 м3/ц; риса – 70 м3/ц. Увеличение подачи воды приводит к повышению урожайности до известного предела, после которого наблюдается обратное явление.

Количество воды, которое необходимо подать на орошаемую территорию за весь вегетационный период, называют оросительной нормой. Оросительная норма соответствует разности между оптимальным водопотреблением возделываемых культур и естественным увлажнением почвы и зависит от природных условий района орошения.

Оросительная норма определяется выражением

qo = T – О – ∆Q + И,

где О – осадки; И – испарение; ∆Q – запасы воды в почве, ∆Q = Qн + Qк + Qв; здесь Qн – подпитка напорными подземными водами; Qк – подпитка капиллярным передвижением воды; Qв – подпитка за счет конденсации водяных паров.

Оросительные нормы сельскохозяйственных культур приведены в табл. 8.

Таблица 8

Оросительные нормы сельскохозяйственных культур, м3/га

Нормы орошения для одних и тех же культур возрастают по мере продвижения на юг в 2...2,5 раза. Например, в пригородах Санкт-Петербурга для полива овощей требуется 1...2 тыс. м3/га, а на юге для тех же целей – 2,5...5,5 м3/га.

Оросительные нормы (без учета потерь испарения, фильтрации) составляют, тыс. м3/га: для сахарной свеклы – 2,5...6; зерновых – 1,3...3,5; многолетних трав – 2...8; риса – 8... 15.

На практике забор воды на орошение существенно превышает оросительную норму, так как при транспортировке воды часть ее теряется на фильтрацию, испарение, утечки. С учетом этих потерь оросительная норма должна быть увеличена с учетом вышеперечисленных факторов.

Показатель эффективности работы ирригационной системы равен

kн = q1/q2,

где q1 и q2 – расходы воды, поступающей на поля и взятой из источника орошения. Для систем, в которых не предусмотрена защита от потерь воды, kн = 0,5...0,55, с облицованными каналами kн = 0,7...0,8, а с закрытыми трубопроводами kн = 0,90...0,95.

Оросительная норма делится на несколько поливов для обеспечения необходимого увлажнения пахотного горизонта (активного слоя) почвы. Поэтому оросительную норму подразделяют на несколько поливных норм, объем которых зависит от водно-физических характеристик почвы, особенностей орошаемой культуры и способа полива.

Число поливов и их сроки зависят от орошаемой культуры, способа орошения и природных условий. Так, для сахарной свеклы необходимо 4...10 поливов, а для кукурузы – 5...8, продолжительность каждого полива 5...10 дней.

Орошение сточными водами. Для удовлетворения потребностей населения и сельского производства в условиях дефицита природной воды можно использовать хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды после предварительного их обезвреживания.

Использование сточных вод в земледелии позволяет увлажнить и удобрить почву, а следовательно, поднять продуктивность сельского хозяйства. Применяют сточные воды для орошения после соответствующей обработки, позволяющей сократить содержание в них патогенных бактерий, вирусов и яиц гельминтов. При орошении происходит почвенная очистка сточных вод, эффективность которой зависит от вида грунтов, характера рельефа местности, уровня грунтовьгх вод, количества атмосферных осадков, продолжительности вегетационного периода и т.п. Для орошения могут быть использованы также стоки пищевой промышленности: сахарных, крахмальных, дрожжевых, пивоваренных заводов.

Земледельческие поля орошения (ЗПО) – это специализированная мелиоративная система для приема предварительно очищенных сточных вод, используемых для орошения и удобрения сельскохозяйственных угодий, а также доочистки стоков в естественных условиях.

Устройство ЗПО возможно при следующих почвенно-климатических условиях: хорошая фильтрационная способность грунтов – песков, супесей, легких суглинков, чернозема; спокойный, или слабовыраженный, рельеф местности с уклоном до 0,02...0,03; уровень грунтовых вод на глубине более 1,5 м от поверхности земли; длительный вегетационный период развития растений и небольшое количество осадков (около 200...300 мм).

Использование сточных вод в ЗПО позволяет:

– обеспечить разрушение органических веществ в стоках путем минерализации или гумификации;

– освободить стоки от патогенных бактерий, вирусов и яиц гельминтов путем их поглощения и дальнейшего отмирания под влиянием естественных факторов самоочищения в фильтрующем слое почвы;

– предотвратить накопление химических веществ в почве до предела, определяющего ухудшение процессов самоочищения почв и снижающих урожайность;

– устранить загрязнение грунтовых вод химическими веществами и патогенными бактериями; предупредить загрязнение почвенного и атмосферного воздуха.

Все это достигается правильным подбором гидравлической нагрузки стоков на почву.

Наилучший вариант структурной схемы ЗПО определяют следующие факторы:

– природные условия (климат, рельеф, гидрогеология, почва, водный баланс и т. п.);

– хозяйственная деятельность (состояние и перспектива развития сельского хозяйства, наличие рабочей силы и опыта орошения и т. п.);

– характеристика сточных вод (объем, состав, режим подачи, влияние сброса сточных вод на водные объекты и т.п.);

– сведения о комплексном использовании водных ресурсов (состав водопользования, объемы водопотребления и водоотведения, прогнозы качества воды, наличие регистрационных и санитарных зон, заинтересованность водопользователей в совместном использовании сточных вод).

ЗПО бывает трех видов:

– для приема стоков и орошения в течение всего года (почвогрунты с высоким коэффициентом фильтрации);

– для приема и аккумулирования стоков с орошением только в вегетационный период;

– для приема стоков и орошения только в вегетационный период.

На практике применяют различные схемы ЗПО и их сочетания. При этом компоновка сооружений системы орошения должна отвечать требованиям комплексного использования водных ресурсов при наименьших приведенных затратах.

Параметры, определяющие эффективность работы сооружений ЗПО, рассчитывают в зависимости от режима их работы по удельной нагрузке, которая изменяется от 3 до 30 м3/га·сут, что соответствует оросительным нормам 2...10 тыс. м3/га.

Санитарные нормы РФ регламентируют возможность возделывания на ЗПО технических, кормовых культур, а также древесно-кустарниковых насаждений.

Введение в севообороты многолетних трав, организация культурных пастбищ позволяют равномерно использовать стоки в течение года, увеличивать саморегулирующую способность и плодородие почвы. Запрещается использовать в ЗПО стоки промышленных предприятий по переработке сырья животного происхождения, инфекционных больниц, боен, ветеринарных лечебниц.

На ЗПО рекомендуются определенные циклы орошения. Например, на пастбищах межполевые периоды составляют 8...14 дней; перед уборкой – 15...30 дней; перед выпасом скота – 20 дней. Для ЗПО предпочтительнее почвенное и поверхностное орошение из дождевальных машин.

При устройстве и эксплуатации ЗПО необходимо выполнять требования по охране природы и соблюдать санитарно-гигиенические правила. ЗПО располагают в местах, удаленных более чем на 2 км от берегов водоема рыбохозяйственного назначения (для ценных рыб ширина зоны может быть увеличена). При отведении дренажных вод регламентируется ПДК биогенных веществ, удобрений и ядохимикатов. Условия санитарной безопасности соблюдаются в процессе орошения и водоотведения коллекторно-дренажных стоков.

Орошение теплыми водами. Теплые воды используют для орошения полей, создания требуемого температурного режима в теплицах, а также для обогрева зданий животноводческих комплексов. Вода из водохранилищ – охладителей энергетических объектов – забирается из верхних слоев (температура их на 8...15 °С выше температуры природных слоев). Теплые воды имеют заметное положительное влияние на урожайность при их подаче в весенний и осенний периоды. Орошение теплыми водами интенсифицирует микробиологические процессы в почве.

Внедрение новых высокопроизводительных машин, механизмов и поливной техники, высокоэффективных способов орошения с использованием систем автоматики и телеуправления позволит значительно повысить эффективность сельского хозяйства в зонах с неблагоприятным климатом.

Существуют различные способы полива земель: поверхностный (самотечный), дождевание и подпочвенное орошение.

Пути повышения эффективности орошения. Одна из важнейших проблем орошаемого земледелия – экономия воды, борьба с ее непроизводительными расходами и потерями. Нерациональный расход воды нередко происходит из-за несовершенства ирригационных систем, построенных без водорегулирующих устройств и водоизмерительных приборов, без коллекторно-дренажной сети. Такие оросительные системы подлежат реконструкции для рационализации структуры посевов и оросительных норм, а также снижения всех видов потерь воды.

В первую очередь необходимо снижение потерь воды на испарение и фильтрацию во время транспортировки ее от источников к орошаемым площадям и во время полива. Для этого переходят от каналов в земляном русле к каналам, облицованным водонепроницаемыми материалами, и к закрытой оросительной сети. Экономию воды может дать распространение подпочвенных аэрозольных и капельных способов орошения, а также внедрение рациональных поливных норм и составление тщательно увязанных графиков полива с учетом агротехнических планов водопользования и обработки почвы.

При дождевании и поверхностных способах полива нередко наблюдаются разрушение и смыв почвы на орошаемой территории, т. е. ирригационная эрозия. Для предотвращения этого явления рекомендуется проводить предполивное рыхление. В засушливых районах одной из важнейших проблем является борьба с вторичным засолением земель. При больших нормах полива происходит подъем уровня засоленных грунтовых вод, влагоиспарение и образование соли. Такое засоление называют вторичным. При содержании солей в почве свыше 0,3 % массы сухой почвы начинается угнетение растений.