Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

РОЗГОН Вячеслав Анатолійович

УДК 631.67

НОРМУВАННЯ ВОДОПОДАЧІ

НА ЗРОШУВАЛЬНІ СИСТЕМИ

06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії

аграрних наук (УААН)

Науковий керівник: |

доктор технічних наук, старший науковий співробітник,

Михайлов Юрій Олексійович,

Інститут гідротехніки і меліорації,

головний науковий співробітник

Офіційні

опоненти: | доктор технічних наук, професор, академік УААН, Ромащенко Михайло Іванович,

Інститут гідротехніки і меліорації,

перший заступник директора;

кандидат технічних наук,

Рябцев Михайло Павлович,

Каховська гідрогеолого-меліоративна експедиція,

головний гідрогеолог

Провідна установа: | Український державний університет водного

господарства та природокористування,

Міністерство освіти і науки України, м. Рівне, вул. Соборна, 11

Захист відбудеться "24" грудня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м. Київ, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м. Київ, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розіслано ” 24” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І.Топольнік

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи зумовлена необхідністю модернізації та реконструкції зрошувальних систем для раціонального використання водних та енергетичних ресурсів. Одним з ефективних напрямів вирішення цього актуального науково-технічного завдання є нормування водоподачі-брутто на зрошувальні системи та оцінки їхніх властивостей регулювання надлишків води з наступним використанням для поливу. Завдяки нормуванню водоподачі-брутто зменшуються технологічні скиди та фільтрація води із зрошувальних каналів, витрати електроенергії на подачу води та її розподіл до споживачів, поліпшується гідрогеолого-меліоративний стан зрошуваних та прилеглих до них земель. Результати оцінки регулюючої здатності існуючих зрошувальних систем дають змогу зробити наукове та техніко-економічне обґрунтування кількості і загального об’єму регулювальних ємностей у каналах і поза ними.

Проблема водокористування на зрошувальних системах є найбільш актуальною для півдня України, де зосереджено 80...85% загальної площі зрошуваних земель, яка сьогодні поливається. Для того, щоб при проектуванні та реконструкції зрошувальних систем запобігти негативному впливу зрошення на природне середовище та відпрацювати заходи щодо попередження їх, необхідно знати умови та закономірності формування водного балансу зрошуваних земель.

Нормування водокористування на зрошувальних системах, їхня модернізація та реконструкція передбачені „Комплексною державною програмою розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь в Україні в 2001–2005 роках та прогноз до 2010 р.”, а також „Загальнодержавною програмою розвитку водного господарства України на період до 2020 року”.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертація виконувалась в рамках тематики Інституту гідротехніки і меліорації УААН за державними науково-технічними програмами „Ресурсозберігаюче водокористування в АПК”, зокрема за завданням „Розробити методи управління якістю поверхневих та підземних вод, технології їх раціонального використання в аграрній галузі” (№ держ. реєстр. 0196U021791), а також за науковою програмою “Методи оптимізації водного балансу територій та управління водними ресурсами в АПК України” (шифр 03.01, № держ. реєстр. 0198U003568 ).

Мета досліджень полягає в науковому обґрунтуванні норм водоподачі-брутто на зрошувальні системи півдня України для проведення модернізації, реконструкції та забезпечення ресурсозберігаючих природоохоронних технологій управління водокористуванням на них.

Основні завдання досліджень:

- оцінка водного балансу за багаторічний період і виявлення основних закономірностей його формування для зрошувальних систем півдня України, розташованих у зоні дії Північно-Кримського (ПКК) та Головного Каховського магістрального (ГКМК) каналів;

- багаторічний аналіз стану використання води на зрошувальних системах розташованих у зоні дії ПКК та ГКМК;

- розробка методу нормування водоподачі на зрошувальні системи з урахуванням водорегулюючої здатності;

- наукове та експериментальне обґрунтування норм водоподачі-брутто на зрошувальні системи ПКК та ГКМК;

- оцінка ефективності застосування норм водоподачі-брутто на зрошувальних системах.

Об’єктом досліджень є природні та технологічні процеси водонадходження на зрошувальні системи, його вплив на формування водного балансу зрошуваних і прилеглих до них територій.

Предметом досліджень є методи обґрунтування норм водоподачі на основі аналізу водного балансу зрошувальних систем та стану водокористування на них.

Методи досліджень: теоретичний, що спирається на теорію формування водного балансу та стоку води, емпіричний, за яким із застосуванням багаторічних рядів спостережень за водокористуванням на зрошувальних системах встановлюються емпіричні залежності водокористування від факторів, що їх зумовлюють.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що автором встановлено закономірності формування водного балансу зрошуваних систем півдня України, удосконалено метод нормування водоподачі-брутто на основі воднобалансових розрахунків, вперше розрахована регулююча здатність зрошувальних систем півдня України за розробленим графічним методом нормування водоподачі-брутто.

Відповідно автором на захист виносяться:

- закономірності формування водного балансу зрошуваних систем півдня України за багаторічний період та оцінено стан водокористування на них;

- графічний метод нормування водоподачі-брутто, якій суттєво удосконалює відомий аналітичний;

- науково обґрунтовані норми водоподачі-брутто різної забезпеченості для діючих зрошувальних систем півдня України;

- показники регулюючої здатності зрошувальних систем цього регіону, адекватні нормам водоподачі-брутто.

Практичне значення одержаних результатів полягає у визначенні науково обґрунтованих лімітів водоподачі на зрошувальні системи півдня України, за якими водонадходження, втрати води на фільтрацію і скиди знижуються на 10...20%, енергоспоживання на 10...15%, а встановлена регулююча здатність може бути використана для обґрунтування водорегулюючих ємностей на зрошувальних системах при реконструкції та модернізації. Результати роботи використовують для річного ресурсного планування та оперативного управління водорозподілом на Північно-Кримському на Головному Каховському магістральному каналах.

Розроблений графічний метод нормування водоподачі на зрошувальні системи та отримані результати досліджень будуть використані для розробки нормативних документів з модернізації та реконструкції зрошувальних систем півдня України: Чаплинської, Херсонської, Первомайської, Джанкойської, Красногвардійської, Сакської, Кіровської, Ленінської, Краснознам’янської, Каланчакської, Красноперекопської, Раздольненської, Нижньогірської, які знаходяться у зоні дії ПКК та Каховської, Херсонської, Новотроіцької, Каланчакської, Іванівської, Генічеської, розташованих у зоні дії ГКМК.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення, винесені на захист, отримано та обґрунтовано особисто автором, йому також належать запропонований графічний метод нормування водоподачі та прикладні результати роботи.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові положення, розроблений графічний метод нормування водоподачі на зрошувальні системи, результати його застосування на практиці отримали позитивну оцінку на науковій конференції “Основи землеробства в умовах недостатнього зволоження” (м. Київ, 2000), на Всеукраїнській науковій конференції молодих вчених “Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та шляхи їх вирішення” (м. Херсон, 2002), на постійно діючому науковому семінарі Інституту гідротехніки і меліорації „Сільськогосподарські меліорації” (м. Київ, 2002).

Публікації. Автор має 7 публікацій за темою дисертації, з яких 4 опубліковано у фахових видання.

Структура і обсяг роботи. Дисертацію викладено на 190 сторінках тексту комп’ютерного набору, складається з вступу, 4 розділів, висновків, список використаних літературних джерел на 13 сторінках із 135 найменувань, додатків на 45 сторінках. Текст роботи ілюстровано 74 рисунками та 9 таблицями.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи та її загальну характеристику.

У першому розділі за результатами вивчення стану проблеми раціонального водокористування на зрошувальних системах, аналізу теоретичних і методичних засад оцінки та вивчення стану водокористування обґрунтовано мету та основні завдання досліджень, визначено шляхи удосконалення методичного підходу до нормування водоподачі-брутто на зрошувальні системи.

Вирішенням наукової проблеми раціонального використання води у зрошуваному землеробстві шляхом обґрунтування індивідуальних норм водопотреби-нетто займалися А.В.Штаковський, С.І.Харченко, І.С.Шпак, В.П.Ос-тапчик, Л.А.Філіпенко, О.І.Жовтоног, А.П.Ліхацевич, В.В.Писаренко, П.І.Коваль-чук, М.І.Ромащенко та ін.

Нормування водовідведення, втрат води на фільтрацію та скиди були предметом досліджень А.В.Штаковського, С.І.Харченко, І.С.Шпака П.І.Ковален-ка, Ю.О.Михайлова, Ю.Л.Смєхнова, І.А.Мавлютдінової, А.Г.Ангутаєва та ін.

Теоретичною основою досліджень є теорія формування водного балансу та стоку води, зокрема в умовах зрошення. Методичному обґрунтуванню таких досліджень присвячено праці О.М.Костякова, А.А.Роде, І.С.Шпака, С.І.Харченка, І.В.Кузнєцова, В.Т.Турчинова, В.В.Краснопера, Р.А.Смирнова, Р.А.Баєра, Б.В.Лютаєва, П.І.Коваленка, М.І.Ромащенка, Ю.О.Михайлова, Ю.Л.Смєхнова та багатьох ін.

Для удосконалення методу нормування водоподачі нами за основу прийнято аналітичний метод Ю.О. Михайлова. За цим методом, використовуючи метеорологічні дані (величина опадів) та дані звітності управлінь магістральних каналів і зрошувальних систем (об’єм поданої води на зрошення, площа зрошення, ККД мережі та системи), можна складати з відносною похибкою ±10% щомісячно, або за поливний сезон, водний баланс зрошуваних земель, розраховувати показники і критерії водокористування.

На основі проведеного аналізу існуючого стану досліджень з нормування водоподачі на зрошувальні системи та формування водного балансу визначено мету і задачі досліджень.

У другому розділі обґрунтовано методи досліджень, наведено характеристики умов та об’єктів їх проведення.

Для аналізу водного балансу, стану водокористування та нормування водоподачі нами обрано два види зрошувальних систем у зоні дії ПКК та ГКМК – з виключно польовими сівозмінами та з розвиненим рисосіянням.

Для систем з виключно польовими сівозмінами характерним є те, що питома довжина відкритої зрошувальної мережі становить 20...25 км/тис.га, дренажно-колекторної – 10...40 км/тис.га, скидної – 1...7 км/тис.га, а закритої – 15...20 км/тис.га. Для систем з рисосіянням питома довжина відкритої зрошувальної мережі становить понад 20 км/тис.га, дренажно-колекторної – більше 42 км/тис.га.

Норма сумарного водонадходження на зрошувальну систему за певний інтервал часу відповідає алгебраїчній сумі сумарного випаровування на зрошуваних полях при запасах вологи у кореневмісному шарі ґрунту в межах 75...100% найменшої вологоємності, норм втрат зрошувальної і дощової води на фільтрацію і поверхневий стік. Оскільки рівняння водного балансу є нелінійним, витратні елементи водного балансу у поливні сезони різної забезпеченості за дефіцитом групової водопотреби-нетто матимуть різне кількісне співвідношення і ефективним воно буде при певному сумарному водонадходженні, яке приймається за норму.

У розвиток цього наукового положення нами запропоновано графічний метод визначення норми сумарного водонадходження на зрошувальні системи.

Ю.О. Михайловим встановлено, що для кожної зрошувальної системи існує таке сумарне водонадходження, близько до якого найбільш ефективно викорис-товуються зрошувальні, атмосферні та ґрунтові води. Ним запропоновано аналітичний метод водно-балансового розрахунку цієї величини, виходячи з норм групової водопотреби-нетто, втрат зрошувальної і дощової води на фільтра-цію і поверхневий стік, а також метод оцінки стану водокористування за комп-лексом з п’яти показників – фактична водоподача-брутто , коефіцієнт корис-ного використання водних ресурсів (ККВВР), коефіцієнт корисного викорис-тання зрошувальних вод (ККВЗВ), коефіцієнт водовідведення (КВВ), коефіцієнт вологозабезпеченості сільськогосподарських культур (КВЗК).

Оцінку регулюючих властивостей зрошувальних систем нами запропоно-вано здійснювати за допомогою графіків, які описують емпіричні зв’язки між відхиленнями від норми коефіцієнтів та відхиленнями від норми фактичної водоподачі-брутто – .

Нормування сумарного водонадходження Qо на зрошувальні системи нами пропонується здійснювати за формулою

, (1)

де норма водоподачі-брутто заданої забезпеченості за дефіцитом водоспоживання зрошуваних сільськогосподарських культур розраховується за формулою

, (2)

де – кількість атмосферних опадів за поливний сезон, що відповідає нормі групової водопотреби-нетто заданої забезпеченості .

З урахуванням норми водоподачі-брутто складається відповідний для таких граничних умов водний баланс зрошувальної системи.

Нами виконано дослідження для регіону, в межах якого розташовані зрошувальні системи зон дії ПКК та ГКМК. Водокористування на цих системах має певні особливості. Так на системах ПКК таких великих резервних ємностей у руслах каналів, як на системах ГКМК, немає, але ці системи значно перевищують останні за розгалуженістю колекторно-дренажної мережі та природною дренованістю території. Внаслідок цього зайва водоподача-брутто на зрошуваль-ні системи ПКК і ГКМК призводить у сучасних умовах майже до однакового зростання втрат води на фільтрацію, але скиди води з каналів на останніх системах значно менше завдяки високій здатності каналів акумулювати воду. З іншого боку, зрошувальні системи ПКК здатні відводити у водоприймачі більшу кількість води, тобто вони стійкіші до надлишкової водоподачі.

На зрошувальних системах ПКК, де вирощується рис, необхідна кількість води перевищує водопотребу польових сівозмін у 8…10 разів. На рисових сівозмінах у декілька разів більша розгалуженість зрошувальної, скидної та колекторно-дренажної мережі, які, з одного боку, підвищують їхню здатність акумулювати воду, а з другого – інтенсифікують процеси водовідведення.

Вихідними даними послужили річні звіти управлінь ПКК, ГКМК і розташованих в їхніх зонах управлінь зрошувальних систем за період з 1981 по 1999 рік, яким охоплено увесь спектр зміни природної вологозабезпеченості поливних сезонів – від 1% до 99% забезпеченості за дефіцитом водоспоживання основних сільськогосподарських культур, що вирощувались. Умови водокористування у 2000 – 2002 роках суттєво не змінилися. Поливний сезон у наших розрахунках починається 20 березня, а закінчується 10 жовтня. Цей вибір зумовлений тим, що у третій декаді березня вологозапаси в ґрунті близькі до найменшої вологоємкості, а до 10 жовтня практично у всіх сільсько-господарських культур, що зрошуються, вегетаційний період вже закінчується.

Управління водорозподілом на Північно-Кримському каналі та міжгоспо-дарських каналах його зрошувальних систем відповідно до проекту повинно здійснюватись за схемою верхнього б’єфа, у Головному Каховському магістраль-ному каналі та його розподілювачах – по нижньому б’єфу. Водокористування до 1985–1988 років відбувалось за річними системними планами, розрахованими на рік 75%-ї забезпеченості за дефіцитом водоспоживання сільськогосподарських культур, які корегувались не частіше двох разів за сезон. Оскільки фактична забезпеченість поливного сезону є випадковою величиною, у більшості випадків вона була меншою за розрахункову норму. В результаті фактична водоподача-брутто на зрошувальні системи значно перевищувала норму, внаслідок чого на фільтрацію та скиди витрачались значні об’єми води.

Останні десять років водоподача-брутто на зрошувальні системи змен-шилась у декілька разів. Причин тому багато, але головними з них є вихід з ладу поливної техніки та внутрігосподарської зрошувальної мережі, брак коштів на оплату пального та електроенергії, необхідних для проведення поливів. Склалось становище, коли пропозиція води значно перевищує попит на неї, тоді як раніше води часто не вистачало. За таких умов істотно змінився водорозподіл у каналах. Для підтримування робочих горизонтів води в аванкамерах насосних станцій та верхніх б’єфах водовипускних гідротехнічних споруд все частіше застосовується управління водорозподілом за схемою, коли максимально використовуються резервні ємності у руслах каналів. В цілому це позитивно вплинуло на показники водокористування, але сильно ускладнило його управління.

У третьому розділі для нормування водоподачі-брутто наведено резуль-тати аналізу закономірностей формування елементів водного балансу, а також оцінку показників водокористування на зрошувальних системах.

Для кожної зрошувальної системи в зоні дії ПКК (Чаплинської, Херсонської, Первомайської, Джанкойської, Красногвардійської, Сакської, Кіровської, Ленінської з виключно польовими сівозмінами; Краснознам’янської, Каланчакської, Красно-перекопської, Раздольненської, Нижньогірської з розви-неним рисосіянням) та ГКМК (Каховської, Херсонської, Новотроіцької, Калан-чакської, Іванівської, Генічеської з виключно польовими сівозмінами) нами складено водний баланс зрошуваних земель за поливні сезони 1981-1999 років і виконано розрахунки показників та критеріїв водокористування (табл.1) за аналітичним методом. За цими даними побудовано графіки залежності між витратними елементами водного балансу та сумарним водонадходженням, показниками водокористування та сумарним водонадходженням і графіки залеж-ності між відхиленнями від норми показників водокористування та водоподачі.

За графіками залежності між витратними елементами водного балансу та сумарним водонадходженням (рис. 1, 2) ордината точки перетину вертикальної осі кривою, що характеризує зміну запасів вологи у кореневмісному шарі ґрунту, кількісно визначає суму витрат води, яка надійшла у певний балансовий об’єм, на сумарне випаровування, фільтрацію і стік.

Абсциси точок перетину горизонтальної осі кривими, що описують фільтрацію та спрацьовування запасів вологи, визначають мінімально допустиме сумарне водонадходження, за умов зменшення якого волога у кореневмісному шарі ґрунту швидко спрацьовується і стає малодоступною для рослин. Абсциси точок перетину горизонтальної осі кривою спрацьовування запасів вологи кількісно дорівнюють власне нормі сумарного водонадходження .

Абсциса точки перетину кривих фільтрації та поверхневого стоку є максимально допустиме сумарне водонадходження, при перевищенні якого може виникнути підтоплення зрошуваних та прилеглих до них земель.

Далі норма сумарного водонадходження уточнюється за допомогою емпіричних кривих залежності від сумарного водонадходження коефіцієнта корисного використання зрошувальних, атмосферних і ґрунтових вод і коефіцієнта корисного використання тільки зрошувальних вод (рис. 3, 5). Абсциса максимального значення цього коефіцієнта повинна майже збігатися з раніше встановленою за допомогою водно–балансових кривих величиною, а також відповідати абсцисі мінімального значення коефіцієнта водовідведення . Норма сумарного водонадходження є відносно стабільним параметром конк-ретної зрошувальної системи. На відміну від неї норма водоподачі-брутто на зро-шувальні системи коливається по роках разом з кількістю атмосферних опадів, які випали за поливні сезони, тобто з природною вологозабезпеченістю останніх.

Відхилення фактичної водоподачі-брутто від норми суттєво впливає на якість водокористування (рис. 4, 6). Чим більше таке відхилення, тим значніше відхилення від критеріїв усіх показників водокористування, тобто якість водокористування погіршується. Якісне водокористування спостерігається за умови відхилення водоподачі-брутто від норми не більше ніж на ±10%. З врахуванням регулюючих властивостей зрошувальних систем допустиме відхилення зростає до 30%.

Враховуючи наведене вище, за графіками нами встановлено такі величини сумарного водонадходження.

У першому наближені для зрошувальних систем у зоні дії ПКК норма сумарного водонадходженням , за даними рис.1, є 800 мм.

Для зони ПКК з рисовими сівозмінами графічним методом у першому наближенні встановлено, що нормою сумарного водонадходження є 990 мм.

За рис.2 для зрошувальних систем ГКМК нормою сумарного водонадходження є 530 мм.

Таблиця 1

Фактичні елементи водного балансу та показники

водокористування для зрошувальних систем півдня України

Забезпеченість зрошувального сезону , % | Сумарне водонадходження, мм | Водоподача, мм | Сумарне випаровування, мм | Фільтрація, мм | Сумарний поверхневий стік, мм | Спрацьовування вологозапасів у ґрунті, мм | Коефіцієнт використання водних ресурсів | Коефіцієнт використання зрошувальних вод | Коефіцієнт водовідведення | Коефіцієнт

вологозабезпеченості, %

Зона дії ПКК з польовими сівозмінами

1-25 | 482-869

728 | 178-599

420 | 430-528

449 | 111-251

194 | 13-181

102 | 0-73

17 | 0,5-0,78

0,62 | 0,26-0,51

0,34 | 0,22-0,5

0,38 | 93-122

114

26-50 | 545-867

743 | 291-537

467 | 427-487

447 | 139-238

209 | 40-202

106 | 0-69

20 | 0,49-0,71

0,6 | 0,17-0,50

0,37 | 0,29-0,51

0,41 | 99-131

114

51-75 | 533-736

677 | 335-545

481 | 441-447

443 | 145-232

200 | 9-101

59 | 5-62

25 | 0,58-0,74

0,64 | 0,44-0,61

0,50 | 0,26-0,42

0,37 | 93-106

102

76-100 | 704-820

749 | 533-661

581 | 437-451

443 | 215-260

232 | 56-112

81 | 3-11

7 | 0,55-0,62

0,59 | 0,44-0,50

0,47 | 0,38-0,45

0,41 | 102-104

103

Зона дії ПКК з рисовими сівозмінами

1-25 | 1060-1450

1216 | 688-1190

908 | 473-556

509 | 458-660

535 | 84-235

176 | 0-10

3 | 0,38-0,47

0,42 | 0,03-0,33

0,20 | 0,53-0,62

0,58 | 101-139

116

26-50 | 1101-1420

1285 | 863-1197

1047 | 381-485

450 | 480-652

576 | 149-372

268 | 1-13

9 | 0,28-0,43

0,35 | 0,12-0,28

0,21 | 0,57-0,72

0,65 | 106-125

113

51-75 | 1210-1325

1257 | 1010-1120

1055 | 465-485

472 | 520-605

552 | 222-255

240 | 0-19

6 | 0,34-0,39

0,37 | 0,23-0,27

0,25 | 0,61-0,65

0,63 | 103-106

105

76-100 | 838-1453

1221 | 657-1270

1062 | 435-561

489 | 369-694

569 | 44-290

174 | 0-78

11 | 0,34-0,55

0,40 | 0,28-0,44

0,32 | 0,45-0,66

0,60 | 87-101

95

Зона дії ГКМК з польовими сівозмінами

1-25 | 474-706

610 | 153-426

316 | 420-503

436 | 80-140

109 | 12-142

74 | 0-42

9 | 0,62-0,82

0,71 | 0,29-0,54

0,45 | 0,18-0,38

0,29 | 101-121

111

26-50 | 378-658

554 | 150-418

324 | 427-433

430 | 75-126

106 | 0-105

53 | 0-128

34 | 0,65-0,86

0,74 | 0,45-0,73

0,58 | 0,14-0,35

0,26 | 78-111

100

51-75 | 428-646

587 | 224-469

374 | 423-432

428 | 77-122

109 | 0-102

67 | 0-76

17 | 0,66-0,85

0,72 | 0,38-0,74

0,56 | 0,15-0,34

0,28 | 86-116

102

76-100 | 465-517

490 | 224-329

273 | 424-430

427 | 50-97

77 | 18-21

20 | 29-41

34 | 0,79-0,86

0,82 | 0,66-0,72

0,68 | 0,14-0,21

0,18 | 95-96

95

Примітка: у чисельнику – діапазон зміни показника, у знаменнику – середнє значення | У другому наближені (рис. 3) для систем ПКК з виключно польовими сівозмінами нормою сумарного водонадходження є величина 590 мм. Допустиме відхилення фактичної водоподачі-брутто від норми (рис. 4) дорівнює –23%, перебільшення норми не допустиме.

На системах ПКК з рисовими сівозмінами стовідсоткова забезпеченість сільськогосподарських культур продуктивними запасами вологи має місце при сумарному водонадходженні близько 990 мм, що в кінцевому варіанті приймається за нормативне. Допустиме відхилення фактичної водоподачі-брутто від норми становить –8%, перебільшення норми не припустиме.

На системах ГКМК з виключно польовими сівозмінами у другому наближені норма сумарного водонадходження, за даними рис.5, як і за рис.2 становить 530 мм. Таким чином, нормативне сумарне водонадходження дорівнює 530 мм. Допустиме відхилення фактичної водоподачі-брутто від норм величини (рис.6) становить –30%, перебільшення норми не дозволено.

У четвертому розділі наведено результати нормування водоподачі-брутто та елементів водного балансу, здійснюється оцінка регулюючої здатності зрошувальних систем, екологічної та економічної ефективності нормування водоподачі-брутто.

Нормування водоподачи на зрошувальні системи зон дії ПКК та ГКМК виконано за загальноприйнятою методикою нормування планів водоко-ристування для 5-, 50-, 75-, 95%-ї забезпеченості.

Метод нормування водоподачи на зрошувальні системи починається з розрахунку за аналітичним методом за фактичними даними водокористування (водозабір, фізично полита площа, атмосферні опади) та показників водокористування.

За розрахунковими даними будуються графіки залежностей елементів водного балансу та показників водокористування від сумарного водонад-ходження. За цими графіками у першому наближенні визначається норма сумарного водонадходження .

Наступним кроком є визначення норми у другому наближенні за допомогою графіків залежності показників водокористування від сумарного водонадходження.

За норму сумарного водонадходження приймається така величина чи , якій відповідає більше значення ККВВР.

Далі розраховується величина атмосферних вод , відповідно до забезпеченості зрошувального сезону .

Обчислюється нормативна водоподача-брутто за формулою (2).

Для заданих величин забезпеченості зрошувального сезону за аналітичним методом складається водний баланс з нормованими елементами і розраховують-ся нормативні показники водокористування (табл. 2).

Таблиця 2

Нормативні елементи водного балансу та показники

водокористування для зрошувальних зон півдня України

Забезпеченість

зрошувального сезону , % | ККД зрошувальної мережі | ККД зрошуваних полів | Питома площа

польових сівозмін | Питома площа

рисових сівозмін | Сумарне

водонадходження, мм | Нормативна

водоподача, мм | Опади, мм | Нормативне сумарне

випаровування, мм | Норма фільтрації, мм | Сумарний

поверхневий стік, мм | Спрацьовування

вологозапасів, мм | Нормативний коефіцієнт

використання водних ресурсів | Нормативний коефіцієнт

використання зрошувальних вод | Нормативний коефіцієнт

водовідведення | Нормативний коефіцієнт

вологозабезпеченості, % | Зрошувальні системи ПКК з польовими сівозмінами | 5 | 0,8 | 0,85 | 1 | 0 | 590 | 298 | 292 | 436 | 139 | 15 | 0 | 0,74 | 0,74 | 0,26 | 117 | 50 | 0,8 | 0,85 | 1 | 0 | 364 | 226 | 446 | 150 | 0 | -6 | 0,75 | 0,76 | 0,25 | 112 | 75 | 0,8 | 0,85 | 1 | 0 | 399 | 191 | 452 | 156 | 0 | -18 | 0,74 | 0,77 | 0,26 | 108 | 95 | 0,8 | 0,85 | 1 | 0 | 429 | 161 | 456 | 161 | 0 | -27 | 0,74 | 0,77 | 0,26 | 105 | Зрошувальні системи ПКК з рисовими сівозмінами | 5 | 0,68 | 0,73 | 0,9 | 0,1 | 990 | 701 | 289 | 492 | 430 | 68 | 0 | 0,50 | 0,50 | 0,50 | 122 | 50 | 0,68 | 0,73 | 0,9 | 0,1 | 766 | 224 | 500 | 446 | 44 | 0 | 0,51 | 0,51 | 0,49 | 114 | 75 | 0,68 | 0,73 | 0,9 | 0,1 | 802 | 188 | 506 | 454 | 30 | 0 | 0,51 | 0,51 | 0,49 | 110 | 95 | 0,68 | 0,73 | 0,9 | 0,1 | 831 | 159 | 509 | 461 | 20 | 0 | 0,51 | 0,51 | 0,49 | 107 | Зрошувальні системи ГКМК з польовими сівозмінами | 5 | 0,93 | 0,86 | 1 | 0 | 530 | 245 | 285 | 423 | 89 | 18 | 0 | 0,80 | 0,80 | 0,20 | 114 | 50 | 0,93 | 0,86 | 1 | 0 | 318 | 212 | 427 | 93 | 10 | 0 | 0,81 | 0,81 | 0,19 | 110 | 75 | 0,93 | 0,86 | 1 | 0 | 357 | 173 | 430 | 96 | 4 | 0 | 0,81 | 0,81 | 0,19 | 108 | 95 | 0,93 | 0,86 | 1 | 0 | 389 | 141 | 432 | 98 | 0 | 0 | 0,82 | 0,82 | 0,18 | 106 | Норму сумарного водонадходження, визначену графічним методом, можна вважати константою, яка для зрошувальних систем зони дії ПКК з виключно польовими сівозмінами дорівнює 590 мм, для зрошувальних систем ПКК з польовими та рисовими сівозмінами – 990 мм, для зрошувальних систем зони дії ГКМК – 530 мм. Різниця між нормативними величинами зумовлена, головним чином, інтенсивністю штучного та природного дренування зрошуваних земель, яке більше в зоні ПКК, особливо на рисових сівозмінах.

Також певний вплив на норму водоподачі-брутто здійснює ККД зрошувальної мережі та ККД зрошуваного поля та техніки поливу. Як ми бачимо, для систем ПКК, з нижчим ККД ніж на системах ГКМК, показники водокористування нижчі. Тобто, чим вищий ККД мережі та поля, тим нижче за інших однакових умов водоподача-брутто, а також фільтрація з каналів та на полях. На системах з польовими та рисовими сівозмінами величина водоподачі-брутто залежить, по-перше, від ККД зрошувальної мережі, а по-друге, – від питомої площі, зайнятої рисом.

Найважливішою стороною нормування водоподачі-брутто є стабілізація рівня водокористування, про що свідчать однакові показники за різної забезпеченості зрошувального сезону.

Для встановлення регулюючої здатності ряди норми водоподачі-брутто, розраховані нами аналітичним методом, апроксимувались за логарифмічно нормальним законом розподілу імовірностей. Це дало змогу згладити криві забезпеченості розрахункових норм водоподачі-брутто і виключити вплив їхньої неоднорідності.

Показник регулюючої здатності зрошувальної системи оцінювався за формулами

, мм (3)

, мм (4)

де – згладжена норма водоподачі-брутто , розрахованої аналітичним методом.

Норми водоподачі-брутто, які встановлені за графічним методом, враховують регулюючу здатність зрошувальної системи . Від’ємне значення показника регулюючої здатності вказує на неспроможність даної зрошувальної системи корисно використати відповідний для зрошуваного сезону заданої забезпеченості нормований об’єм сумарного водонадходження, не кажучи про зайве. Позитивне значення свідчить про здатність зрошувальної системи корисно використати сумарне водонадходження, яке не тільки відповідає нормі, але і перевищує її.

Норма водоподачі-брутто, яка визначена за графічним методом, є також максимальною величиною ліміту, який можна визначити за умови достатніх водних та енергетичних ресурсів для запобігання надлишкових витрат води на фільтрацію та поверхневий стік.

Показник регулюючої здатності зрошувальних систем зменшується з природною посушливістю поливного сезону. Пояснюється це збільшенням норми водоподачі-брутто, величина якої у посушливі та гостро посушливі сезони

виходить за рамки регулюючої здатності систем. Останнє свідчить про те, що водокористування на системах з рисовими сівозмінами взагалі не може бути задовільним, якщо істотно не зменшити зрошувальну норму для рису шляхом модернізації рисових систем, перетворивши рисові чеки та карти на ємності, що регулюють скиди води, які виникають внаслідок похибок водорозподілу у магістральних і міжгосподарчих каналах.

Таблиця 3

Норми сумарного водонадходження і водоподачі-брутто

для зрошувальних систем півдня України

Забезпеченість зрошувального сезону, % | Нормативна розрахункова

водоподача, мм

(аналітичний метод) | Статистично уточнена нормативна водоподача, мм | Коефіцієнт

варіації | Коефіцієнт асиметрії | Згладжена нормативна

водоподача, мм | Нормативна

водоподача, мм

(графічний метод) | Нормативне

розрахункове сумарне водонадходження, мм (аналітичний метод)Нормативне сумарне водонадходження, мм

(графічний метод)Регулююча здатність, мм | значення, Cvпохибка, % | значення, Cs | похибка, % | Зрошувальні системи ПКК з польовими сівозмінами | 5 | 233 | 115 | 0,32 | 17 | 0,05 | 56 | 174 | 298 | 466 | 590 | 124 | 50 | 350 | 294 | 322 | 364 | 548 | 42 | 75 | 415 | 356 | 386 | 399 | 576 | 13

95 | 466 | 449 | 458 | 429 | 619 | -29 | Зрошувальні системи ПКК з рисовими сівозмінами | 5 | 383 | 394 | 0,29 | 17 | 0,05 | 56 | 389 | 701 | 677 | 990 | 313 | 50 | 857 | 874 | 866 | 766 | 1089 | -100 | 75 | 1083 | 1042 | 1063 | 802 | 1251 | -261 | 95 | 1435 | 1291 | 1363 | 831 | 1522 | -532 | Зрошувальні системи ГКМК з польовими сівозмінами5 | 175 | 120 | 0,25 | 17 | 0,06 | 58 | 148 | 245 | 433 | 530 | 97 | 50 | 272 | 233 | 253 | 318 | 465 | 65 | 75 | 325 | 272 | 299 | 357 | 472 | 58

95 | 368 | 331 | 350 | 389 | 491 | 39 | Як ми бачимо, удосконаленим методом нормування водоподачи на відміну від аналітичного методу можна визначити значення регулюючої здатності, яка свідчить не тільки про можливість системи акумулювати у штучних та природних водоймах, у зоні аерації та своєчасного відведення зайвого водонадходження, а також встановлює необхідний об’єм регулювання, при проведенні реконструкції чи модернізації і в яких межах.

Економічний ефект від нормування водоподачі-брутто полягає у заощадженні електроенергії та водних ресурсів при примусовому заборі з джерел зрошення значно меншої кількості води та подальшого її транспортування до водоспоживачів.

За зрошувальний сезон економія електроенергії на зрошувальних системах зони ПКК з виключно польовими сівозмінами становить 84,24 кВт*год/га, на системах з польовими та рисовими сівозмінами – 153,5 кВт*год/га, на системах зони ГКМК – 28,78 кВт*год/га, або відповідно 2,38 , 2,40 і 0,76 млн грн у тарифах 2002 року.

Екологічний ефект нормування водоподачі-брутто зумовлюється економ-мією зрошувальної води на величину від 0,41 до 2,46 тис.м3/га. Це допоможе зни-зити технологічно необґрунтовані скиди води на 624,4 млн.м3, або на 25% від середнього водозабору ПКК та ГКМК за 1981–1999 роки, а також знизити фільтраційні втрати та поверхневий стік, які можуть за певних умов спричинити підняття рівня ґрунтових вод, якісно виснажити джерела прісної води. Зеконом-лена внаслідок нормування водоподачі-брутто вода об’ємом 624,41 млн м3 може бути використана Каховською ГЕС для генерування 22,104 млн кВт*год елект-роенергії.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання щодо обґрунтування норм водоподачі-брутто, регулюючих властивостей зрошувальних систем для забезпечення ресурсозберігаючих природоохоронних технологій управління водокористуванням на зрошувальних системах, обґрунтування проектів їхньої модернізації та реконструкції.

1. Водний баланс, який відповідає вимогам екологічної безпеки зрошення, формується за умов, коли водоподача-брутто, на зрошувальні системи, фільтрація і поверхневий стік відповідають нормам, а запаси вологи у кореневмісному шарі ґрунту протягом поливного сезону не спрацьовуються нижче критичних.

Показано, що задовільне водокористування формується за умов додержання норми водоподачі-брутто. Її зменшення порівняно з нормою на 10...30% не приз-водить до істотного погіршення показників водокористування, тоді як перебіль-шення норми є, як правило, недопустимим. Відповідно до цього за 1981–1999 роки водокористування на більшості зрошувальних систем півдня України через зайву водоподачу-брутто було незадовільним.

2. Визначено, що норма водоподачі-брутто на зрошувальні системи відповідає такому кількісному співвідношенню елементів водного балансу, за яким на графіках залежності витратних елементів водного балансу від сумарного водо-надходження сезонне спрацьовування запасів вологи у кореневмісному шарі ґрунту, накопичене на початок поливного сезону, дорівнює нулю. Враховуючи зазначене, сумарне водонадходження становить: для систем з польовими сівозмінами в зоні дії ПКК та ГКМК відповідно 590 та 530 мм, а для систем з рисовими сівозмінами – 990 мм за зрошувальний сезон.

Норма водоподачі-брутто збільшується з посушливістю поливного сезону та поліпшенням природної та штучної дренованості зрошуваних земель і зменшу-ється із зростанням технічного рівня та стану зрошувальних систем.

3. Науково обґрунтовано, що графічний метод визначення норми водоподачі-брутто на зрошувальні системи у сукупності з аналітичним дає більш ґрунтовні результати, а відтак можливість встановити регулюючу здатність системи, тобто її можливість акумулювати у штучних і природних водоймах, в зоні аерації, а також своєчасно відводити зайве водонадходження.

4. Регулююча здатність діючих зрошувальних систем обмежена і зменшується з посушливістю поливного сезону, внаслідок чого фактична водоподача-брутто у посушливі та гостро посушливі поливні сезони повинна бути нижче норми на 10...30%.

На системах з польовими сівозмінами зони ПКК регулююча здатність нижча, ніж на системах зони ГКМК. Це пояснюється порівняно великою резерв-ною ємністю у руслах самого магістрального каналу та його розподільників.

5. Комплексним показником економічної ефективності нормування водопо-дачі-брутто на зрошувальні системи є зниження енерговитрат на водозабір з джерела зрошення та транспортування по каналах меншої кількості води. Показ-никами екологічної ефективності нормування водоподачі-брутто є: мінімізація поверхневого стоку, який забруднює водоприймачі, зменшення інтенсивності кількісного і якісного виснаження ресурсів поверхневих вод, запобігання підтоп-ленню земель ґрунтовими водами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у фахових виданнях

1.

2.

3.

4.

Наукові видання та тези доповідей

1. Михайлов Ю.О., Розгон В.А., Врадін С.О. Раціональне водокористування у зрошуваному землеробстві // Наукові основи землеробства в умовах недостатнього зволоження. Матеріали науково – практичної конференції 21 – 23 лютого 2000 р., м. Київ. – К.: Аграрна наука, 2001. – С. 97 – 100.

2. Розгон В.А. Оптимізація водного балансу зрошуваних територій // Актуальні проблеми ефективного використання земель. Матеріали міжнародної наукової конференції молодих вчених, м. Херсон. – Херсон: Дніпро, 2002. – С. 87 – 90.

3. Михайлов Ю.О., Розгон В.А. Структура водоспоживання і водний баланс // Сучасний стан, основні проблеми водних меліорацій та шляхи їх вирішення. – К.: Аграрна наука, 2001. – С. 29-34.

АНОТАЦІЇ

Розгон В.А. Нормування водоподачі на зрошувані системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації. – Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2003.

У дисертаційній роботі вирішується актуальне науково-технічне завдання нормування водоподачі-брутто на зрошувальні системи, наукового обґрунтування модернізації та реконструкції зрошувальних систем.

Для двадцяти зрошувальних систем зони Північно-Кримського та Головного Каховського магістральних каналів виконано, починаючи з 1981 р., ретроспективний аналіз фактичного стану водокористування, складено фактичний водний баланс зрошуваних земель, встановлено основні закономірності формування витратних елементів водного балансу, показників та критеріїв водокористування залежно від сумарного надходження поливних та дощових вод.

Розроблено графічний метод встановлення норм на сумарне водонад-ходження, водоподачу-брутто, фільтраційні втрати і поверхневий стік зрошуваль-них і дощових вод, спрацьовування запасів вологи у кореневмісному шарі ґрунту, накопичених на початок поливного сезону.

За допомогою цього методу обґрунтовано норму водоподачі-брутто для поливних сезонів 5-, 50-, 75-, 95%–ї забезпеченості за нормою групової водопотреби-нетто, складено нормований водний баланс, оцінено регулюючу здатність зрошувальних систем.

Дано оцінку економічної та екологічної надійності нормування водоподачі-брутто.

Ключові слова: зрошувальна система, нормування, водопотреба, водопо-дача, водний баланс, фільтрація, стік.

Розгон В.А. Нормирование водоподачи на оросительные системы. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственные мелиорации. – Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2003.

В диссертационной работе решается актуальное научно-техническое задание нормирования водоподачи-брутто на оросительные системы, научного обоснования модернизации и реконструкции оросительных систем.

Выдвинута гипотеза о том, что существует критическая величина суммарного водопоступления, при которой использование водных ресурсов наиболее оптимальное. В развитие этого положения разработан графический метод, который основывается на зависимости расходных элементов водного баланса и показателей водопользования от суммарного прихода оросительных и атмосферных вод. По этому методу устанавливаются нормативные величины суммарного водопоступления, допустимые границы его изменения и регулирующие свойства оросительной системы, то есть её способность аккумулировать в искусственных и природных водоёмах, в зоне аэрации, а также своевременно отводить непродуктивную водоподачу.

Для нормирования водоподачи для двадцати оросительных системах