УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

Федченко Віктор Іванович

УДК 631.62:504.064

ОБГРУНТУВАННЯ МОДЕРНІЗАЦІЇ ТА РЕКОНСТРУКЦІЇ

МЕЛІОРАТИВНИХ СИСТЕМ У ГУМІДНІЙ ЗОНІ НА ОСНОВІ

ДАНИХ ЕКОЛОГО-МЕЛІОРАТИВНОГО МОНІТОРИНГУ

06.01.02 – сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук (УААН)

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Алексеєвський Вадим Євгенович

Інститут гідротехніки і меліорації УААН

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник Скрипник Олег Вячеславович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук Козловський Броніслав Іванович, начальник Львівської гідрогеолого-меліоративної експедиції

Провідна установа: Український державний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне, вул. Соборна, 11

Захист відбудеться " | 26. | " | квітня | 2004 р. о | 10 | годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022 м. Київ, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022 м. Київ, вул. Васильківська, 37

Автореферат розіслано " | 17 | " | березня | 2004 року. |

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За технічним станом раніше побудовані меліоративні системи у гумідній зоні значною мірою не відповідають запроектованим параметрам і не забезпечують водорегулювальних функцій, що негативно впливає на ефективність сільськогосподарського використання угідь. У Сумській області таких систем близько 40 % загальної площі. Тому на даний період актуальним є не будівництво нових меліоративних об‘єктів, а реконструкція і модернізація існуючих систем на новій науковій і матеріально-технічній основі. Це узгоджується з постановою Кабінету Міністрів України від 16.11.2000 року № 1704 про “Комплексну програму розвитку меліорації земель і поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушуваних угідь у 2001 – 2005 роках і прогнозу до 2010 року”. Реалізація такого підходу потребує науково обгрунтованих техніко-економічних підходів, що визначають доцільність і першочерговість реконструкції чи модернізації осушувальних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася за науково-технічною програмою Інституту гідротехніки і меліорації УААН на 2001-2005 рр. "Виробництво продукції на меліорованих землях. Розробити технології та технічні засоби водорегулювання для комплексної реконструкції і модернізації осушувальних систем", де автор був відповідальним виконавцем. Державна реєстрація № 0101U004619.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – наукове обгрунтування екологічної безпеки і економічної доцільності реконструкції чи модернізації меліоративних систем за умови реформованого сільськогосподарського виробництва на основі запропонованих технологічних підходів. Задачі досліджень включали такі основні питання:

· наукове узагальнення та аналіз багаторічних матеріалів моніторингових робіт на еталонних меліоративних системах у Сумській області для обгрунтування екологічної і економічної доцільності реконструкції меліоративних систем;

· розробку технічних рішень щодо реконструкції осушувальних систем з урахуванням сучасних вимог до охорони природи і раціонального використання природних ресурсів на базі еколого-меліоративного моніторингу.

Об‘єктом дослідження є меліоративні системи Сумської області.

Предметом дослідження є розробка раціональних систем і технологій регулювання водного режиму на осушуваних землях за сучасних умов землекористування і вимог охорони природи відповідно до основних положень Концепції сталого розвитку України.

Методи досліджень полягали:

· в обгрунтуванні репрезентативності об‘єктів спостережень і досліджень за природними, меліоративними і сільськогосподарськими показниками;

· у розробці раціонального комплексу спостережень і досліджень та методики проведення моніторингових робіт;

· у розробці критеріїв оцінки еколого-меліоративної обстановки на типових об‘єктах і об'єктах-аналогах;

· у теоретичній розробці методології визначення доцільності реконструкції чи модернізації меліоративних систем;

· в експериментальних дослідженнях на науково-виробничому об'єкті з впровадження інженерних рішень водорегулювання і освоєння перезволожених земель.

При польових, лабораторних дослідженнях, аналітичній обробці отриманих даних користувались загальноприйнятими методиками і рекомендаціями, включаючи статистичний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці методики обгрунтування доцільності реконструкції і модернізації осушувальних систем у гумідній зоні на основі даних меліоративного моніторингу та техніко-економічних розрахунків і технології їхнього виконання за умови сучасних форм землеволодіння і землекористування.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані наукові розробки дають змогу:

· обгрунтовано визначити і ранжувати меліоративні об‘єкти за необхідністю їхньої реконструкції чи модернізації;

· визначити достатній мінімум робіт за раціональною технологічною схемою виконання їх;

· планувати і виконувати роботи з реконструкції і модернізації меліоративних систем або їхніх елементів з урахуванням фінансових можливостей замовників робіт, спрямованості їх сільськогосподарського використання.

Особистий внесок здобувача. На основі патентного пошуку, аналізу літературних джерел та матеріалів польових досліджень виконана оцінка еколого-меліоративного стану осушуваних земель Сумської області.

Проведене математичне моделювання динаміки водного режиму грунту під впливом осушувальної мережі різних параметрів і конструкцій та розроблений алгоритм техніко-економічного обгрунтування доцільності проведення реконструкції.

Здійснено експериментальну перевірку запропонованої конструкції меліоративних систем.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження та основні положення дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній науковій конференції з проблем підвищення ефективності використання меліорованих земель і їхньої екологічної стійкості (Мінськ, 2000), на Всеукраїнській науково-практичній конференції (Рівне, 2000), засіданнях вченої ради ІГіМ УААН, науково-технічної ради Сумського Облводгоспу.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано автором у 5 статтях різних видань, у тому числі у 4 – фахових.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і переліку літературних джерел, який вміщує 134 найменування. Роботу викладено на 175 сторінках друкованого тексту, включаючи 29 таблиць і 19 рисунків.

Зміст РОБОТИ

У вступі наведено стислу характеристику дисертаційної роботи, обгрунтовано її актуальність.

У першому розділі проведено літературний огляд стану проблеми, сформовано концепцію необхідності реконструкції осушувальних систем у гумідній зоні України.

Викладено аналіз стану вивченості методів і практичного досвіду реконструкції осушувальних систем та забезпеченості оптимального водно-повітряного режиму осушуваних грунтів протягом вегетаційного періоду.

Потреба реконструкції осушувальних систем виникла майже одночасно з початком масштабного меліоративного освоєння перезволожених земель Полісся у кінці 60-х років минулого сторіччя.

На той час обсяг реконструкції у Сумській області щорічно становив за середньобагаторічними даними 0,8 тис.га, або 30-40 % середнього щорічного нововведення меліорованих земель. В останні 5 років це відповідає 100 % капітальних робіт.

Питанням реконструкції осушувальних систем займалися всі науково-дослідні і проектні інститути галузі, а економічним обгрунтуванням ефективності і доцільності реконструкції меліоративних систем – в Інституті економіки ім. А.Г. Шліхтера та інших установах.

Провідними засадами Концепції розвитку меліорації у гумідній зоні зумовлена перманентність процесу реконструкції меліоративних систем, економічно обгрунтоване витрачання природних і матеріальних ресурсів, забезпечення оптимального водного режиму на осушуваних землях, збереження природного середовища. Багато відомих вчених, що займалися розробкою конструкцій осушувальних систем при реконструкції, дійшли висновку, що найбільший ефект дає система, спроможна забезпечити оптимальний водно-повітряний режим грунтів протягом всього вегетаційного періоду і окупністю не більше 5 років.

Огляд існуючих літературних джерел, а також аналіз патентної документації свідчить про те, що перспективний напрям у меліорації має бути спрямований на створення комплексних меліоративних систем на основі ресурсозбереження і агроландшафтного підходу (В.Є.Алексеєвський та ін., 1991; П.І.Гаць, 1998; Б.І.Козловський, 1991; А.В.Яцик, 1984; А.В.Яцик, 1994; А.В.Яцик, В.М.Хорєв, 2000).

На Україні широко застосовують осушувальні системи з використанням матеріального дренажу, який побудовано на площі близько 2 млн га. Проте, як свідчать дослідження ряду вчених, ці системи мають високу матеріалоємність та недостатньо ефективну дію у важких грунтах і на площах із западинним рельєфом (Ш.І.Брусиловський, 1981; П.А.Волковський, 1968; В.П.Кубишкін, 1964; А.В.Яцик, 1984).

Огляд літератури, проведений автором, показує, що в наукових поглядах немає одностайності щодо вибору найбільш ефективного способу осушення перезволожених земель у поєднанні з агромеліоративними прийомами. Проте є провідна думка, що враховуючи сучасні умови, реконструкцію існуючих меліоративних систем доцільно проводити невеликими площами (Г.І.Ватутін, 1973; П.І.Коваленко, 1978; Ф.К.Куропатенко, 1981; С.Н.Страшніков, 1968; О.В.Скрипник, М.А.Солопко, 1978; О.В.Скрипник, І.С.Сорока, 1984).

Діючі методичні рекомендації з оцінки ефективності реконструкції меліоративних систем включають три взаємопов‘язаних групи розрахунків, а саме: визначення необхідності реконструкції, обгрунтування її ефективності і оцінку фактичного ефекту на меліоративних об‘єктах. Головним оціночним показником був прийнятий: об‘єм виробництва сільськогосподарської продукції, який визначає термін окупності капітальних вкладень. Проте практично доведено, що таке планування реконструкції не має достатнього інформаційного забезпечення. Для більшої об‘єктивності планування реконструкції і практичних дій з експлуатації меліоративних систем з 1982 р. гідрогеолого-меліоративною службою розпочато ведення меліоративного кадастру. Надалі, із зміцненням напрямку екологізації в загальній системі природокористування було створено систему еколого-меліоративного моніторингу на осушуваних і прилеглих територіях. Водночас проводиться комплексне спостереження за станом природного середовища в умовах меліоративного навантаження на геоекосистеми. Розробкою системи еколого-меліоративного моніторингу в гумідній зоні України займалися вчені ІГіМ УААН.

На даний період і в найближчій перспективі основним питанням є розробка технічних і економічних засад реконструкції осушувальних систем за сучасних умов землекористування і землеволодіння.

Вивченню і вирішенню цих питань присвячено і дане дисертаційне дослідження, автор якого максимально використав можливості інформаційної бази еколого-меліоративного моніторингу.

У другому розділі наведено стислу характеристику природно-меліоративних умов району досліджень. Висвітлено зональні та регіональні особливості природної обстановки, наведено гідрогеолого-меліоративне районування території.

Характерним для об'єкта досліджень є наявність двох агрокліматичних районів: Поліського з помірно теплим, добре зволоженим і Лісостепового з помірно теплим, середньозволоженим кліматом.

Річна сума опадів становить 550-590 мм у першому районі і 470-560 мм у другому. Багаторічна середня температура січня – 6,4о, липня – 19,9о. Зволоженість території у часі і просторі нестійка, що спричиняє мінливі умови водного режиму, потребує його штучного регулювання.

У районі досліджень виділяють три грунтово-меліоративні зони: Поліську, Перехідну і Лісостепову. Грунти перших двох зон, які належать до типового Полісся, характеризуються пониженою природною родючістю, залягають переважно на середніх і важких за складом підгрунтах водно-льодовикових рівнин. Представлені вони дерново-підзолистими і підзолисто-дерновими різновидами, в пониженнях – оглеєні. Грунтові води прісні. У Лісостеповій зоні на вододілах сформувались опідзолені грунти, чорноземи опідзолені, деградовані й потужні, в пониженнях – осолоділі. За морфогенетичними показниками всі грунти поділено на чотири грунтово-меліоративні райони і 26 грунтово-меліоративних груп.

У структурі поверхні території області відокремлено два морфогенетичних типи рельєфу: акумулятивно-денудаційний і ерозійно-акумулятивний.

На території області проведено спеціальне гідрогеолого-меліоративне районування (Харківдіпроводгосп, 1979), за яким вибрано еталонні об‘єкти у складі еколого-меліоративного моніторингу, а також ранжування меліоративних систем за чинниками, що визначають умови, методичні і технологічні підходи до їхньої реконструкції.

Осушення в області спочатку проводилось на прискорений скид поверхневих вод без регулювання водного режиму, що себе не виправдало. Тому пізніше будували тільки осушувальні системи двобічної дії із збільшенням обсягів культуртехнічних робіт і урахуванням заходів з охорони навколишнього середовища.

На сьогодні на території Сумської області налічується 147 осушувальних систем загальною площею 107,2 тис.га, в тому числі 122 осушувально-зволожувальні системи на площі 78,7 тис.га, 16 – польдерного типу і лише 9 належать до систем однобічної дії.

В цілому територія не належить до зони надлишкового зволоження при середньобагаторічній кількості опадів 550 мм. Коефіціент природної зволоженності має показник 1,9-2,1. Другою важливою особливістю є перезволоження середніх і важких грунтів. Ці чинники зумовлюють те, що фонд осушення складають переважно землі тимчасового сезонного перезволоження. За природних умов, що склалися, перезволоження понижених і слабкодренованих або безстічних територій відбувається переважно у період сніготанення і весняних опадів, а в літній період ці ж території зазнають дефіциту вологи. Тому для використання їх у сільськогосподарському виробництві необхідне своєчасне відведення весняних вод з поверхні грунту і орного шару, а в літній період – додаткове зволоження. На це спрямована і пропонована реконструкція з урахуванням соціально-економічних і матеріально-технічних умов, які склалися на даний період.

У третьому розділі наводиться обгрунтовання доцільності і особливостей реконструкції меліоративних систем за сучасних умов землекористування. Особливого значення на даний період набуває необхідність покращення водного режиму на плакорних (староорних) землях, які зазнають локального сезонного перезволоження у западинних формах рельєфу, що негативно відбивається на ефективності використання сільськогосподарських угідь.

Проводити сільськогосподарські роботи у цих пониженнях можна з великим запізненням, а в деякі роки зовсім неможливо. Крім того, у пониженнях на глибині 30-60 см знаходиться ілювіальний горизонт, який за умов перезволоження стає водотривким і не допускає проникнення води у нижні горизонти. У замкнених пониженнях розповсюджені солоді і осолоділі грунти з низькою природною родючістю.

Спеціальні дослідження показали, що застосування для ліквідації понижень планування порушує природний склад грунтових горизонтів, значно змінює водні і хімічні властивості грунту. Добавка врожаю на насипах не компенсує витрат на зрізах.

Необхідність виключення негативного впливу посух та досягнення стабільної врожайності культур потребує їхнього додаткового зволоження. Тому осушувальна меліорація за умов дефіциту водних ресурсів повинна вирішувати двостороннє водорегулювання з акумуляцією і повторним використанням інфільтраційно-дренажних вод у межах водозбору меліоративної системи. На цих територіях необхідні локальні, технічно прості і недорогі системи водовідведення з поверхні землі і орного шару.

За даними багатьох вітчизняних і зарубіжних вчених, двобічне регулювання водного режиму, особливо на мілких торфах і мінеральних грунтах підвищує, за високої культури землеробства, продуктивність сільськогосподарського виробництва. Головними напрямами інвестицій можуть стати реконструкція і технічне переозброєння меліорації, оскільки окупність тут здійснюється вдвічі швидше, ніж за інших видів витрат (Г.І.Афанасік, З.Н.Шкутов, 1996; Г.І.Ватутін, 1973; А.Ю.Дірсе, 1974; Н.В.Євдокимова, 1975; В.М.Зубець, 1972; П.І.Коваленко, 1978; Н.В.Логунова, 1998; Б.С.Маслов, 1981; В.П.Пантелєєв, 1993; О.В.Скрипник, І.С.Сорока, 1985; О.В.Скрипник та ін., 1998). Вивчення економічної доцільності реконструкції і необхідність розробки нових малозатратних невеликих меліоративних систем за сучасного землекористування зумовили мету досліджень автора.

Головними показниками, які зумовлюють необхідність проведення реконструкції, є перезволоження осушених земель, їхнє вторинне заболочування, а також сезонний дефіцит вологи в грунті, які неможливо ліквідувати за допомогою проведення лише експлуатаційних заходів.

Автором запропоновано уніфіковану схему обгрунтування реконструкції чи модернізації меліоративних систем на техніко-економічній та екологічній основі. Особливість її полягає в тому, що вибір об‘єктів реконструкції здійснюється на базі даних еколого-меліоративного моніторингу осушуваних земель із залученням показників гідрогеолого-меліоративного стану земель, технічного стану меліоративної системи, родючості грунтів, фондозабезпеченості землевласника, потенційної забезпеченості господаря добривами, наявності у них достатньої кількості робочої сили і зацікавленості землевласника у реконструкції меліоративної системи (В.Є.Алексеєвський, О.В.Цвєтова, 2001; В.Є.Алексеєвський та ін., 1995, 2001; П.І.Коваленко та ін., 1999; Б.І.Козловський, 1995; Б.І.Козловський, 1989; І.Ю.Насєдкін, О.В.Цвєтова, 1997; В.І.Федченко та ін., 2002; М.В.Яцик та ін., 1999).

Основним критерієм оцінки стану осушуваних земель, за даними моніторингу, є відповідність фактичних показників водного режиму на системі їхнім оптимальним значенням, наведеним у таблиці 1.

Таблиця 1

Оптимальні глибини залягання рівнів грунтових вод

за періодами сільськогосподарського року і основними сільськогосподарськими культурами

Сільськогосподарські

культури | Глибина рівнів грунтових вод від поверхні, см

посівна (весняний період) | оптимальна (вегетаційний період) | найбільша допустима (літній період)

Зернові ярі, льон | 60 – 65 | 70 – 75 | 100

Зернові озимі | 50 – 55 | 70 – 75 | 100

Кукурудза і соняшник на силос | 60 – 70 | 80 – 90 | 110

Столові, кормові і цукрові буряки, морква, інші коренеплоди | 60 – 65 | 75 – 80 | 100

Коноплі | 60 – 65 | 80 – 100 | 130

Капуста пізня, льон | 60 – 65 | 75 – 80 | 90

Картопля | 60 – 70 | 80 – 90 | 100

Багаторічні трави | 50 – 55 | 60 – 70 | 90

Культурні пасовища | 50 – 55 | 75 – 80 | 100

Запропонована автором методика дає змогу на територіальній основі обгрунтовано визначати об'єкти реконструкції і ранжувати їх за черговістю проведення робіт, що є основою планування і раціонального використання фінансових і матеріальних ресурсів.

Обгрунтування необхідності, доцільності і особливостей реконструкції наведено за сучасних умов землекористування з урахуванням роздержавлення осушуваних земель і децентралізації матеріально-технічного забезпечення сільського і водного господарства.

Для розробки безпосередньо ресурсозберігаючих технічних засобів модернізації та реконструкції меліоративних систем автором вибрано типову дослідну ділянку з характерними пониженнями і вимочками, які перешкоджають їх ефективному сільськогосподарському використанню. Ця ділянка розташована на кордоні Сумської та Чернігівської областей поблизу с.Петрівське між залізничними станціями Конотоп та Бахмач.

У розділі на прикладі багатьох країн проаналізовано міжнародний досвід ефективного використання осушуваних земель за різних природних умов, технічних рішень, еколого-економічних і інвестиційних підходів.

У четвертому розділі вміщено характеристику системи еколого-меліоративного моніторингу по Сумській області як основної інформаційної бази для прийняття технічних і організаційних рішень з покращання функціонування і підвищення ефективності використання меліоративних систем (ВБН 33-5.5-01-97, 1997).

Відмічається, що результати моніторингових спостережень, одержаних за єдиними методиками, дають можливість об'єктивно оцінити еколого-меліоративний стан осушуваних земель локально по окремих системах, а також у межах господарств, районів, областей Полісся і на цих рівнях приймати рішення про подальшу експлуатацію меліоративної системи та поліпшення її стану (В.Є.Алексеєвський, І.Ю.Насєдкін, Г.П.Рябцева, О.В.Цвєтова, 1985-2001; П.І.Коваленко та ін., 1999; Б.І.Козловський, 1989-1995; А.В.Яцик та ін., 1994). Еколого-меліоративний моніторинг, крім прикладних меліоративних експлуатаційних завдань, спрямований на оцінку стану геоекосистем у межах іхніх природних кордонів, що зазнали меліоративного навантаження за комплексом показників, куди входять дані про режим та баланс природних вод, характеристики грунтів, сільськогосподарське використання і агротехніку, фенологію, радіаційний стан грунтів і вод, технічний стан меліоративних систем. Такі комплексні багатогранні дослідження за окремо затвердженою програмою проводяться на спеціально вибраних і обладнаних для систематичних спостережень типових (еталонних) системах.

На території Сумської області виділено 6 еталонних систем, конкретною задачею спостережень на яких є фіксація і відстеження процесів, що відбуваються на меліорованих і прилеглих до них землях.

Аналіз проведених по еталонних системах обстежень свідчить, що несприятливий меліоративний стан виявляється як у пересушенні, так і у перезволоженні осушуваних площ. Перше пов'язане зі значною дренованістю осушуваних земель і неможливістю акумуляції поверхневого стоку (для зволоження через дрени), друге – із замуленістю закритого дренажу і зниженням пропускної здатності відкритої мережі (замулення, заростання рослинністю тощо).

Для екстраполяції даних моніторингу і оцінок еколого-меліоративного стану, що виконуються на еталонних об'єктах, здійснено групування всіх меліоративних систем. Цей необхідний захід виконано на основі природно-меліоративного районування з урахуванням однорідності підходів до регулювання водного режиму грунтів, їхньої обробки, застосування агротехнологій тощо.

При групуванні меліоративних систем навколо об'єктів-аналогів обгрунтовано залучалися суміжні прикордонні території різних природно-меліоративних областей. Таким чином всі меліоративні системи поділено на шість груп за еталонними об'єктами системи еколого-меліоративного моніторингу.

За даними щорічної оцінки меліоративного стану осушуваних земель, відбувається поступове його погіршення. За останні шість років площа земель із добрим меліоративним станом зменшилася більше ніж в два рази з 58576 до 23221 га. Водночас, збільшилася площа із задовільним станом з 33845 до 78476 га. За даними кадастра, площа земель з незадовільним меліоративним станом зменшилася з 4763 до 2857 га. Однак, за даними спеціальних досліджень, виконаних автором разом з ІГіМ УААН, доведено, що системи із задовільним меліоративним станом у своїй більшості слід називати системами “з умовно задовільним станом”, які можуть збільшити площу осушуваних земель із незадовільним станом в 3-4 рази.

Головним чинником зниження урожайності сільськогосподарських культур на землях з незадовільним меліоративним станом є відхилення фактичних термінів сівби (садіння) від оптимальних. Тому для ранжування осушувальних систем за приорітетністю і черговістю реконструкції залучена методика визначення втрат врожаю через запізнення початку сільськогосподарських робіт

, (1)

де Кс – коефіцієнт зниження врожаю порівняно з потенціально-можливим; - емпіричний коефіцієнт ймовірних втрат врожаю, спричинених відхиленням термінів сівби від оптимальних; Т – сума додаткових середньодобових температур повітря, нагромаджених після дати переходу температури повітря через 0оС; То – сума додаткових середньодобових температур повітря, що забезпечують оптимальні терміни сівби.

Емпіричні коефіцієнти визначено і прийнято для основних сільськогосподарських культур (М.Лазарчук, В.Муранов, 1989, 1997).

У розділі наведено детальну характеристику гідрохімічного стану меліоративних систем за якістю поверхневих, дренажних і підземних вод. За результатами оцінки, 27 меліоративних систем характеризуються незадовільною якістю природних вод через погіршення умов і інтенсивності водообміну на системах з переважно незадовільним і умовно задовільним меліоративним станом.

На деяких осушуваних площах кількість сульфатів (SO42-) перевищує 100 мг/дм3, вміст магнію (Мg2+) перевищує 40 мг/дм3. Дані аналізів свідчать, що дренажні і поверхневі води за головними аніонами і лужністю знизили свій клас і категорію.

Проведений детальний аналіз еколого-меліоративного стану еталонних осушувальних систем підтверджує поступовість зниження ефективності використання осушуваних земель через недосконалість регулювання водного режиму, порушеннях на мережі і спорудах та складність експлуатаційного догляду за сучасних умов землекористування.

Найбільша кількість систем з незадовільним або умовно задовільним меліоративним станом належить до групи еталонних систем "Щимля" і "Сніжки". За районуванням, це переважно перезволожені землі Сеймської терасової рівнини льодовикової і передльодовикової зон та Глухівської лесової рівнини. Саме для аналогічних умов перезволоження обрано дослідно-виробничий об'єкт з відпрацювання нових ефективних засобів регулювання водного режиму грунтів.

Формування водного режиму грунту в передпосівний період відбувається під впливом метеорологічних умов і водорегулюючої дії осушувальної мережі. Параметри останньої визначаються на основі розрахункової інтенсивності, яка базується на даних емпіричних досліджень і може бути визначена шляхом моделювання.

В основу моделювання покладено рівняння водного балансу, що має вигляд:

, (2)

де W – шар надлишкової вологи, яка має бути видалена з грунту за розрахунковий період, мм; О – атмосферні опади за розрахунковий період, мм; Е – сумарне випаровування за розрахунковий період, мм; - коефіцієнт водовіддачі грунту; h – необхідна глибина зниження РГВ до норми осушення, мм; Wгр – результуюча грунтового водообміну осушуваної території, мм.

На першому етапі моделювання визначено максимальну інтенсивність осушення для культур ранньої та пізньої сівби. Але осушувальна мережа, що забезпечує максимальну інтенсивність осушення, потребує максимальних витрат на реконструкцію і, тому, працюватиме з недостатнім навантаженням. Однак при зменшенні розрахункової інтенсивності осушення зростає ймовірність втрати врожаю через зростання періоду осушення.

Тому на другому етапі моделювання, поступово зменшуючи інтенсивність осушення за рівнянням (1), обрахували коефіцієнти зниження врожаю, з урахуванням даних по кожній метеостанції області (табл. 2).

Таблиця 2

Середньобагаторічні коефіцієнти зниження врожаю

Культура | Коефіцієнти зниження врожаю за даними по метеостанціях

Ромни | Суми | Конотоп | Глухів

1 | 2 | 3 | 4 | 5

Зернові | 0,18 | 0,17 | 0,19 | 0,21

Багаторічні трави | 0,13 | 0,16 | 0,17 | 0,19

Кукурудза | 0,22 | 0,20 | 0,23 | 0,26

Картопля | 0,08 | 0,07 | 0,09 | 0,10

Буряк | 0,08 | 0,08 | 0,09 | 0,08

Овочі | 0,10 | 0,10 | 0,12 | 0,14

Загальна вартість втрат врожаю сільгоспкультур (грн/га) розраховується за формулою:

, (3)

де Ук – потенційно можливий (проектний) врожай к-тої культури, ц/га; бк – частка культури на території меліоративного об'єкта; Цк – закупівельна ціна на продукцію к-тої культури при i-тому варіанті властивостей грунту та j-тих параметрах осушувальної мережі.

Запропоновано методику і виконано для всіх еталонних систем оптимізаційні розрахунки, враховуючи критерій-мінімум зведених витрат та вартості ймовірних втрат сільськогосподарської продукції:

, (4)

де ЗВі – зведені витрати на будівництво і експлуатацію і-того варіанту осушувальної мережі; Уі – вартість ймовірних втрат врожаю сільськогосподарських культур, зумовлених відхиленням водного режиму грунту від оптимального при і-тому варіанті осушувальної мережі.

У п'ятому розділі наведено технологічні підходи щодо реконструкції осушувальних систем. Автором відмічалося, що для обгрунтування вибору об'єктів реконструкції за сучасних умов землекористування необхідно насамперед враховувати природно-меліоративні особливості наміченої території. Притаманна чи ні сезонність виникнення надлишків поверхневої і грунтової вологи. Останнє потребує надання меліоративним системам подвійних функцій – навесні, в передпосівний період та початок вегетації – відведення надлишковой води з поверхні грунту та орного шару, в меженний період, середина літа – початок осені – додаткове зволоження з гарантованого водного джерела.

Встановлено, що найважче вирішується питання водорегулювання на ділянках з тимчасовим сезонним перезволоженням. Це орні території слабкодренованих або безстічних вододільних просторів із розвитком у рельєфі замкнених локальних понижень, що акумулюють місцевий поверхневий стік і поступово переводять його у стік грунтовий. Тут створюється складна контурна ситуація, що ускладнює використання сільськогосподарської техніки, знижує коефіцієнт земельного використання, зумовлює нерівномірність властивостей грунтів. Такі території складають переважно фонд орного землеробства і одержання базової сільськогосподарської продукції (Ф.К.Куропатенко, 1981; А.Ф.Рубан, 1969; О.В.Скрипник, 1969, 1977; О.В.Скрипник, М.А.Солопко, 1978, 1980; О.В.Скрипник, П.І.Гаць, І.С.Сорока, 1982 та ін.).

У зв'язку з цим відпрацьовувався новий підхід до меліорації перезволожених земель з розробкою нових систем і технологій осушення локальних об'єктів перезволоження або реконструкції існуючих систем.

Основними засадами такого підходу є мінімізація працезатрат, можливість використання існуючих технічних засобів і місцевих дешевих матеріалів.

Нами ставилася задача своєчасного відведення надлишкової води з орного шару в певних контурах, з акумуляцією вологи в розрізі сільськогосподарського року, для її подальшого використання на зволоження.

Запропоновано при реконструкції меліоративних систем не скидання надлишків води, а акумуляція її в спеціальних водоакумулювальних конструкціях. Експериментальні дослідження цього принципу здійснювались шляхом побудови дослідної системи на межі Сумської і Чернігівської областей площею 30 га. Методикою будівництва системи та експериментального дослідження передбачалось утворення єдиної конструкції, основою якої були водоакумулювальні траншеї довжиною 250 м на відстані 30 м одна від одної, які мали односторонній вихід у відкритий канал. У місцях понижень відстань між траншеями зменшували до 15 м одна від одної (рис. 1).

Для порівняння водорегулюючої дії даної системи поруч у двох місцях побудовано традиційний керамічний дренаж з відстанню 20 м між дренами. Водоакумулювальні траншеї викопували глибиною 1,5–1,8 м і заповнювали місцевим фільтрувальним матеріалом (соломою) на всю глибину траншеї. У тих місцях, де траншея виходила на бугор, солому засипали на глибину 0,9–1,1 м. З одного тракторного причепа засипали траншею довжиною 18–20 м. Вивчені також затрати часу, людських ресурсів, технологія проведення робіт з урахуванням особливостей рельєфу території. Проведене порівняння кошторисних витрат на дослідно-експериментальній ділянці – на будівництво дренажу із гончарних труб та водоакумулювальних дрен і контурів показало значну економію від застосування місцевих фільтрувальних матеріалів.

Надлишкова волога, внаслідок високих фільтраційних властивостей соломи, надходить у замкнений водоприймач (канал), що знаходиться в межах одного землекористувача. Для прискорення відведення надлишкової вологи у водоакумулювальні фільтраційні траншеї, між ними доцільно застосовувати кротування на глибину 0,6–0,7 м один раз на 2–3 роки.

Для розрахунку відстаней між водорегулювальними елементами даної конструкції систем автором запропоновано розрахункову модель (див. рис.1), яка грунтується на допущенні, прийнятому Янголем А.М. (1970), що при осушенні відкритими каналами та дренами поверхня грунтової води між ними у різні періоди наближається до кривої еліпса. В цьому разі рівняння вільної поверхні грунтової води матиме вигляд:

, (5)

де S – половина відстані між каналами, м; hо – відстань від осі еліпсу до рівня води в траншеї, м; h – висота спрацювання рівня в заданій точці; x, y – горизонтальна і вертикальна осі еліпсу.

Тоді остаточна модель визначення відстані між водорегулювальними траншеями матиме вигляд:

, (6)

де Т – глибина активної зони фільтрації, що дорівнює глибині траншеї, м; - вільна шпаруватість грунту; t – час пониження РГВ до норми осушення, діб.

, (7)

де hо – відстань від поверхні до розрахункової горизонтальної осі еліпсу; h2 – відстань від РГВ після досягнення норми осушення до горизонтальної осі еліпсу, м.

Проведені досліди показали, що за чотирирічний період спостережень метеорологічні умови були характерними для всебічної оцінки водорегулювальної дії досліджуваної конструкції системи. Три з чотирьох років були близькими до середньовологих, а їхня забезпеченість опадами становила 28-34%. Тому основний період оцінки запропонованих технічних рішень здійснювався в умовах, близьких до екстремальних. Незважаючи на це, рівні грунтових вод до початку посівного періоду, який у даній зоні відноситься до ІІІ декади квітня, досягли норми осушення і коливались у межах 60–70 см від поверхні як на дослідній, так і на контрольній ділянці.

Таблиця 3

Динаміка рівнів грунтових вод на експериментальному об’єкті

на відстані 100 м від каналу, м

Місяць | Декада | 1998 | 1999 | 2000 | 2001

А | D | A | D | A | D | A | D

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10

IV | 1 | 38 | 33 | 45 | 42 | 47 | 43 | 51 | 50

2 | 41 | 39 | 51 | 50 | 55 | 52 | 62 | 59

3 | 55 | 51 | 63 | 60 | 69 | 70 | 78 | 79

V | 1 | 65 | 68 | 69 | 67 | 75 | 77 | 95 | 97

2 | 72 | 70 | 80 | 83 | 86 | 90 | 103 | 110

Таблиця 4

Динаміка площі затоплення в пониженнях на

експериментальному об’єкті, в %

Місяць | Декада | 1998 | 1999 | 2000 | 2001

А | D | A | D | A | D | A | D

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10

IV | 1 | 20,5 | 21,0 | 18,4 | 18,9 | 17,2 | 18,0 | 8,1 | 8,5

2 | 9,0 | 21,0 | 6,3 | 7,5 | 5,4 | 7,1 | 0 | 0

3 | 4,4 | 8,2 | 2,0 | 2,8 | 0 | 0 | 0 | 0

V | 1 | 3,1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

Розкопка і визначення функціональних властивостей грунтово-солом'яної суміші через 5 років експлуатації показали, що остання мала значно кращі фільтраційні властивості порівняно з грунтами контрольної ділянки з керамічним дренажем.

Таблиця 5

Фільтраційно-акумуляційні властивості ділянок,

меліорованих акумуляційними траншеями і керамічними дренами

Глибина

від поверхні | Вільна шпаруватість, % від об’єму | Коефіціент фільтрації, м/добу

A | D | різниця | A | D | різниця

0,5 | 0,31 | 0,17 | 0,14 | 2,7 | 0,81 | 1,9

0,9 | 0,36 | 0,14 | 0,22 | 13,8 | 0,34 | 13,4

1,2 | 0,38 | 0,12 | 0,26 | 15,4 | 0,28 | 15,1

1,4 | 0,25 | - | - | 20,9 | - | -

Висновки

1. Вперше для території Полісся, зокрема його Лівобережної частини, на прикладі Сумської області використано дані еколого-меліоративного моніторингу для вирішення наукових і технічних питань реконструкції та модернізації осушувальних систем.

2. Виконано групування осушувальних систем області навколо типових об'єктів за показниками природно-меліоративного районування, характеру і особливостей перезволоження земель, технічних схем і засобів водорегулювання.

3. Проведено оцінку еколого-меліоративного стану меліоративних систем за технічними, меліоративними і гідрохімічними показниками для з'ясування причин формування незадовільного меліоративного стану, визначення пріоритетів у виборі об'єктів реконструкції, а також вирішення технічних і технологічних задач реконструкції і модернізації осушувальних систем за різних природно-меліоративних умов і сучасних форм землеволодіння і землекористування.

4. Визначено, що найбільші проблеми з водорегулюванням виникають на осушувальних системах міжрічкових територій з нестійким режимом перезволоження і розвиненим западинним рельєфом. Основними з цих проблем є – своєчасне забезпечення норми осушення в передпосівний період і компенсація дефіциту вологи протягом вегетації за відсутності гарантованого джерела зволоження.

5. Для техніко-економічного обгрунтування необхідності і черговості реконструкції осушувальних систем застосовано методику моделювання водного режиму грунту. Розраховано необхідну інтенсивність осушення перезволожених земель, а також середньобагаторічні коефіцієнти зниження врожаю, зумовленого відхиленнями від оптимального водного режиму грунту для основних сільськогосподарських культур.

6. Виконано оптимізаційні розрахунки для всіх типових об'єктів з урахуванням особливостей осушення, параметрів осушувальної мережі і структури сільськогосподарського використання осушуваних земель.

7. Запропоновано і впроваджено на дослідно-виробничому об'єкті малозатратну технологію реконструкції осушувальних систем на перезволожуваних землях з западинним рельєфом, яка грунтується на відведенні і акумуляції надлишків вологи з використанням місцевих фільтрувальних матеріалів, дотриманням грунтоохоронних і екологічних вимог.

8. Дана схема дає змогу локально регулювати водно-повітряний режим осушуваних грунтів у межах території одного землекористувача.

9. Запропоновано розрахункову модель для визначення параметрів системи з водоакумулюючими траншеями, за якою можна одержати необхідні параметри для проектування і будівництва.

10. П'ятирічні спостереження за функціонуванням системи на дослідно-виробничому об'єкті показали її значно більшу ефективність у регулюванні водного режиму грунту, ніж на контрольній ділянці з гончарним дренажем.

11. Окупність реконструкції осушувальної системи за запропонованою схемою і технологією відбувається вдвічі швидше, ніж за традиційних підходів, а відтак рекомендується широке застосування її в аналогічних умовах перезволоження земель Українського Полісся.

Рекомендації виробництву

Для своєчасного осушення і подальшого регулювання водного режиму на локальних ділянках перезволожених земель, в межах одного землекористувача, рекомендується застосовувати розроблену автором схему водоакумулюючого дренажу із використанням місцевих фільтруючих матеріалів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Брошури

1. Осушення в Сумській області і шляхи раціонального природокористування / Федченко В.І., Кошовий В.Ф., Алексеєвський В.Є., Насєдкін І.Ю., Тураєва О.В. (За ред. Федченко В.І.). –К.: Сумський Облводгосп, ІГіМ УААН, 1995. –31 с.

2. Результати моніторингових робіт на осушуваних землях Сумської області / Федченко В.І., Комарицький А.А., Круглов Є.П., Нагай А.М., Полковніченко М.І., Цвєтова О.В., Подзіна Л.В., Тураєва О.В., Демида І.А. (За ред. Федченко В.І.). –Суми: Сумський Облводгосп, ІГіМ УААН, Сумська ГГМП, 2001. –64 с.

Статті у фахових виданнях

1. Федченко В.І. Сучасний стан меліоративних земель у Сумській області та шляхи його покращання //Водне господарство України. – 2000. – № 5–6. – С. 52-55.

2. Федченко В.І., Круглов Є.П., Полковніченко М.І. Оцінка якості поверхневої і дренажних вод на осушених землях Сумської області //Меліорація і водне господарство. – 2002. – Вип. 88. – С. 165-171.

3. Федченко В.І. Меліоративний стан осушуваних земель у Сумській області //Водне господарство України. – 2002. – № 1–2. – С. 25-28.

4. Федченко В.І. Моніторингові роботи на осушуваних землях Сумської області //Водне господарство України. – 2002. – № 5–6. – С. 23-28.

Тези доповідей

1. Федченко В.И. Эколого-мелиоративный мониторинг Сумской области: результаты работы и пути совершенствования // Материалы конференции "Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорированных земель". – Минск, 2000. – С. 58-59.

АНОТАЦІЇ

Федченко В.І. Обгрунтування модернізації та реконструкції меліоративних систем в гумідній зоні на основі даних еколого-меліоративного моніторингу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – Сільськогосподарські меліорації (технічні науки). – Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2003.

Науково обгрунтовано нові підходи до реалізації даних еколого-меліоративного моніторингу щодо прийняття рішень з реконструкції і модернізації осушувальних систем. Обгрунтовано вибір репрезентативних об'єктів спостережень на основі наукового аналізу природно-меліоративних умов регіону, технічної досконалості і ефективності водорегулювальної дії меліоративних систем.

Виконано аналіз еколого-меліоративного стану осушуваних земель і ранжування їх за пріоритетністю, доцільністю і ефективністю впровадження технічних заходів з реконструкції і модернізації осушувальних систем.

За даними експериментальних досліджень, на типовій дослідно-виробничій ділянці запропоновано для широкого впровадження оптимальні локальні схеми регулювання водного режиму тимчасово перезволожених земель, що сприяють заощадженню і ефективному використанню ресурсів місцевого стоку для забезпечення оптимальної вологості осушуваних грунтів.

Ключові слова: меліоративні системи, еколого-меліоративний моніторинг, будівництво і реконструкція меліоративних систем.

Федченко В.И. Обоснование модернизации и реконструкции мелиоративных систем в гумидной зоне на основании данных эколого-мелиоративного мониторинга. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – Сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). – Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2003.

Научно обоснованы новые подходы к реализации данных эколого-мелиоративного мониторинга для принятия решений по реконструкции и модернизации осушительных систем. Обоснован выбор репрезентативных объектов наблюдений на базе научного анализа природно-мелиоративных условий региона с учетом технического усовершенствования и эффективности водорегулирующего действия мелиоративных систем на территориях с развитием западинных форм рельефа.

Выполнен анализ эколого-мелиоративного состояния осушаемых земель и ранжирование их по приоритетности, целесообразности и эффективности внедрения технических мероприятий при реконструкции и модернизации осушительных систем.

По данным экспериментальных исследований