CC BY
10Геоинформационная система как инновационный подход для оптимизации использования водных ресурсов в орошаемом земледелии Ферганской долины
Никанорова Александра Дмитриевна
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра физической географии мира и геоэкологии, аспирант, aleksanika@gmail.com Дронин Николай Михайлович канд. геог.н.; вед. науч. с., Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра физической географии мира и геоэкологии, ndronin@gmail.com
В условиях нестабильной трансграничной водоподачи, связанной с переходом Токтогульского водохранилища с энергетического на ирригационный режим работы, необходима разработка новых инновационных подходов для оптимизации водопользования в орошаемом земледелии Ферганской долины. С использованием геоинформационной системы «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины» оценены величины оросительных норм по современным ландшафтам Ферганской долины. Выявлено, что, несмотря на длительную историю орошения и сильную трансформацию долины гидротехническими системами, обусловившими нивелирование исходных ландшафтных свойств, природная структура территории проявляется в значительных различиях оросительных норм (до 40% для посевов хлопчатника) ландшафтных комплексов. Учет выявленных различий условий орошения является существенным фактором для снижения рисков возникновения водного дефицита в регионе.
Ключевые слова: ирригация, дефицит водных ресурсов, геоинформационная система, Ферганская долина, оптимизация водного режима.
Распад Советского союза привел к разрушению централизованной системы управления водными ресурсами в бассейне основной водной артерии Ферганской долины - реки Сырдарья, а также к переходу работы Токтогульского водохранилища (в Кыргызстане) с ирригационного на энергетический режим, при котором график попусков воды часто не соответствует времени полива культур. В условиях сохранения противоречий между центральноазиатскими странами, наиболее реалистичной стратегией решения проблемы неустойчивого водоснабжения Ферганской долины является выявление и использование «внутренних резервов» системы орошения земель. На основе ГИС оценен адаптационный потенциал («внутренние резервы») ирригационной системы Ферганской долины, определяющейся ее возможностями к максимально дифференцированному распределению воды по орошаемым землям в соответствии с ландшафтной структурой территории.
Постановка проблемы. До 1930-х гг. центральная часть была занята в основном целинными землями. Природно-антропогенные ландшафты орошаемого земледелия были распространены на Сохском и Нарынском конусах выноса и в пределах древне-аллювиальной долины Сырдарьи в виде разрозненных участков. Во второй половине ХХ века орошаемые площади были значительно расширены за счет освоения древне-аллювиальной равнины, периферических частей конусов выноса. Площадь орошаемых земель в основном увеличилась за счет сокращения равнинных ландшафтов с солончаками, болотно-луговыми, луговыми и такыровидными почвами. Орошаемое земледелие за такой длительный период обусловило нивелирование различия исходных свойств ландшафтных комплексов: высокогумусные почвы (луговые и болотно-луговые) потеряли гумус, а малогумусовые обогатились им. В данной работе на основе применения геоинформационных технологий мы показываем, что, несмотря на антропогенную трансформацию, исходная ландшафтная структура во многом определяет условия орошения и распределения водных ресурсов по сельскохозяйственным комплексам орошаемого земледелия.
Методика и материалы. Карта современных ландшафтов Ферганской долины (рисунок 1) основана на типологической методике исследования и картографирования современных ландшафтов [4]. При разработке карты использованы дистанционные данные Landsat7 и SRTM90, а также материалы [1], [2], [3]. В пределах видов ландшафтов были выделены их антропогенные сельскохозяйственные модификации на основе использования дистанционных данных Landsat7, а также полевых материалов (таблица 1).
С целью выяснения, является ли ландшафтная структура значимой для современной систем распределения воды на полях Ферганской долины, в ГИС была проведена
Условные обозначения:
Щ Водохранилища
-Ирригационная систем*
■-Коллекторно-дречажиая сеть
| 2 |' ндромодулыгые районы (дифференциация ландшафтов ко уровню [рунюных вод и гранулометрическому составу почв)
Сельскохозяйственные модификации ландшафтов
| У1.»,Н | ММ 0:0 I УП:Ю:П
■ 1:2:6 У1:7:К |
■ Ш:4 е |
ВЦ П/;5;Ж \Л:в:М |_
У;б:3
Примечание: сельскохозяйственные модификации ландшафтов обозначены в легенде числовыми и буквенными индексами (пример VI 8 М, где VI-нодкласс, 8 - вид ландшафта, М - антропогенная сельскохозяйственная модификация. Р асшифровка индексов в легенде, таблица I.)
Рис. 1. Фрагмент карты Современных ландшафтов Ферганской долины
О
3
я
3
9 2
сч cJ
£
Б
2 о
оценка дифференциации оросительных норм по полигонам, приуроченным к разным выделам современных ландшафтов (рисунок 1). Для каждого полигона была внесена атрибутивная информация об их принадлежности к ирригационным каналам и назначении поливов, величина которых зависит от преобладающего типа гидромодульного района (ГМР) внутри полигона и структуры посевов. гМр в практике орошения выделяются по глубине залегания грунтовых вод и механическому составу почв [6]. Для определения гидромодульного района территория агроклиматической зоны делится на следующие таксономические единицы: почвенно-мелиоративные области по уровню залегания грунтовых вод (более 3 м, от 2 до 3 м, 1<2 м и менее 1 м), которые далее подразделяются на 5 групп: песчаные, супесчаные; легкие и средние суглинки; средние и тяжелые суглинки и глинистые. Таким образом, по двум классификационным признакам орошаемые территории отнесены к 9 гидромодульным районам. В пределах ГМР для выращиваемых культур определяется оросительная норма и режим орошения, а также в соответствии с номером ГМР назначается очередность поливов.
Средневзвешенные оросительные нормы рассчитаны на примере хлопчатника как культуры наиболее характерной и распространенной в пределах Ферганской долины. Величина средневзвешенной оросительной нормы хлопчатника в пределах выделяемых сельскохозяйственных модификаций является количественной характеристикой, которая позволяет пространственно дифференцировать современные ландшафты по потребностям в воде на орошение (таблица 2).
С использованием современных инструментов ГИС для сельскохозяйственных модификаций ландшафтов были определены площади распространения выделенных ГМР, % (таблица 2).
Полученная с использованием геоинформационных методов информация была экспортирована в программу Excel для проведения дальнейших расчетов дифференциации ландшафтов по условиям орошения. Расчет оросительной нормы хлопчатника в пределах выделяемых сельскохозяйственных модификаций ландшафтов (Jhl) осуществлялся по формуле:
Jhl = XGi х Jnti,
где Gi - занимаемая площадь ^Pi (i=1-9) в выделяемом контуре, % (таблица 2);
Jnti - рекомендованная оросительная норма культуры (хлопчатника) в вы-
Таблица 1
Легенда к фрагменту карты современных ландшафтов Ферганской долины.
Вид ландшафта
Hизкогорья с пологими склонами, сложенные песчаными конгломератами, с эфемероидной растительностью (Poa bulbosa, Carex pachystilis) на типичных сероземах
Предгорные лессовые волнистые равнины, сложенные супесями, лесса ми и суглинками, с раз нотра вно-эфемероидной растительностью (Poa bulbosa, Carex pachystilis с участием астрагалов, лютиковых и злаковых) на светлых сероземах_
Межгорные аллювнально-пролювиальные равнины, сложенные суглинками, гравийно-галечниковыми отложениями, с (фемероидно -полы иной растительностью (Artemisia badhysi, A. diffusa Poa bulbos а) на типичных сероземах
Плоские пролювиально-
аллювиальные равнины конусов выноса, сложенные супесями, легкими суглинками и лессовыми отложениями, подстилаемы ми галечниками, с эфемероидной растительностью (Poa bulbosa, Carex pac/n'stilis) на светлых сероземах
Конусы выноса, сложенные тяжелосуглинистыми и глинистыми отложениями, подстилаемыми галечником, с лугово-галофитной растительностью (Ае1игория ¡ШогаНя, А. герет, ЗаИсогта еигораеа) на луговых сазовых почвах_
JIpeuiieaЛЛювна лыiule paísiiины третьей надпойменной террасы, сложенные тяжелыми суглинками и глинами, с злаковыми галофнтнымн лугами (Aehtropus littoral is, A. re pens, виды Elytrigid) на луговых почвах и солончаках
Эоловая равнина третьей надпойменной террасы, сложенная песками и супесями, с эфемерово-псаммофитной растительностью (Alhagi pseudalhagi, Promus tectorum, Satsola richten i) на песчаных почвах.
Аллювиальные равнины молодых надпойменных террас, сложенные яжелыми суглинками и глинами, со зл a KOBt) -трости нковон растительностью (Phragmites austral is, Calaniagrostis epige ios, Elytrigia re pens) на лотовых, бологно-луговых и болотных аллювиальных почвах
Антропогенные сельскохозяйственные модификации _ландшафтов_
Пастбищно-иахотные беднейды с выпасом малого рогатого скота и очагами неорошаемого земледелия, подверженные дигрессии растительного и почвенного покрова
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые при недостаточном развитии сети ирригационных каналов и высокими оросительными нормами на суглинистых почвах, подверженных эрозии
Садово-плантационные (абрикосовые, персиковые и яблоневые сады, хлопковые плантации), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на супесчаных и суглинистых почвах, подверженных эрозии
Плантационно-пахотные (с преобладанием посевов зерновых и хлопковых плантаций), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на супесчаных, суглинистых и глинистых почвах, подвержен мы х дефляции
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций и посевов зерновых), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых почвах, подверженных засолению при недостаточном дренаже
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые при недостаточно развитой сети ирригационных каналов и относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых и глинистых почвах, подверженных дефляции и засолению
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций), орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокой оросительной нормой на суглинистых почвах, подверженных засолению и требующих интенсивной промывки при повышенном содержании легкорастворимых солей
Преимущественно плантационные с преобладанием плантаций бахчевых культур, орошаемые при недостаточно развитой сети ирригационных каналов, с достаточно высокими оросительными нормами на песчаных и супесчаных почвах, подверженных дефляции и засолению
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций и посевов кормовых культур) на аллювиальной равнине второй надпойменной еррасы, орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно невысокими нормами орошения на суглинистых и глинистых почвах, подверженные подтоплению
Плантационно-пахотные (с преобладанием хлопковых плантаций наличием рисовых чеков) на аллювиальной равнине мерной надпойменной террасы в лиманных понижениях и речных старицах, орошаемые развитой сетью ирригационных каналов, с относительно низкими оросительными нормами на аллювиальных суглинистых и глинистых почвах
деляемом гидромодульном районе, м куб./га [5].
Результаты исследования и их обсуждение. Предложенная методика позволяет прогнозировать требования на воду при развитии орошаемого земледелия в
пределах изучаемых ландшафтных комплексов (таблица 2). Для ландшафтов предгорных лессовых волнистых равнин (111;4;Е, рисунок 1), полностью освоенных под орошаемое земледелие при глубоком уровне грунтовых вод характерно преобладание ГМР 2 и 3 (Е, таблица 2).
Таблица 2
Расчет оросительных норм хлопчатника в пределах выделяемых сельскохозяйственных модификаций ландшафтов
Антропогенные С С .1 ьс кохозя йс твоим ы е модификации ландшафтов ГиДрОМОДуЛЬНЫЙ район (ГМР), % занимаемой площади Ороситель ные нормы хлопчат-
I 2 3 4 5 6 7
К НЕ ОРОШАЕТСЯ
Е 47 53 5900
Ж 12 88 5700
3 34 58 2 5 1 5750
И 3 7 54 36 4400
К 100 4900
Л 42 6 52 4200
М 7 65 5 23 4600
Н 6 22 13 59 5200
О 18 28 54 4300
п 8 17 75 3900
Несмотря на невысокую природную обводненность территории, практически полное отсутствие естественных водотоков в вегетационный период, она используется под хлопковые плантации с высокими оросительными нормами (5900 куб. м/га).
Ландшафты межгорных аллювиаль-но-пролювиальных равнин (М;5;Ж, рисунок 1), в условиях преобладания ГМР 3 (Ж, таблица 2), традиционно приспособлены под яблоневые, абрикосовые, персиковые сады и виноградники, а также под хлопковые плантации при достаточно высоких нормах орошения (5700 куб м/га).
Ландшафты плоских равнин конусов выноса (^6;З, рисунок 1), характеризуются преобладанием ГМР 3 (З, таблица 2) в условиях глубокого залегания грунтовых вод, интенсивно орошаются, в посевах преобладают озимые зерновые культуры, развиты хлопковые плантации при достаточно высоких оросительных нормах (5750 куб. м/га). Ландшафты конусов выноса с глинистыми и тяжелосуглинистыми отложениями (У!;7;К, рисунок
1) характерны для их периферийных частей, где преобладает ГМР 5 (К, таблица
2). Этот вид ландшафта полностью освоен под орошаемое земледелие с относительно невысокими оросительными нормами для хлопчатника 4900 куб. м/ га. Неглубокое залегание грунтовых вод с повышенной минерализацией (до 50 мг/л) обуславливает повышенные риски деградации почв при неправильном выборе почвенно-мелиоративных мероприятий.
После строительства Большого Андижанского и Большого Ферганского канала, ландшафты в пределах третьей надпойменной террасы реки Сырдарья стали активно осваиваться под орошение.
Территории с ландшафтами древнеаллю-виальных равнин (У1;8;Л и У!;8;М, рисунок 1) в условиях широкого распространения солончаков, наличия сбросных озер и болот в значительной мере освоены под хлопковые плантации. Неглубокое залегание грунтовых вод и преобладание тяжело суглинистых и глинистых почв (ГМР 6, ГМР 7) обуславливают возможность снижения оросительных норм для хлопчатника до 4200 - 4600 куб. м/га (Л,М, таблица 2).
Территории распространения эоловых ландшафтов (М;9;Н, рисунок 1) орошаются не повсеместно, на песчаных почвах с преобладанием ГМР 6 (Н, таблица 2), оросительные нормы которых для хлопчатника составляют 5200 куб. м/га, традиционно приоритет отдается возделыванию бахчевых культур, не требовательных к обильным поливам. Отличительной чертой района распространения эоловых ландшафтов является интенсивный ветровой режим, вызывающий дефляцию целинных и орошаемых земель.
В пределах аллювиальных равнин ландшафты (М;10;0 и УП;10;П, рисунок 1) трансформированы в ландшафты орошаемого земледелия с преимущественным выращиванием хлопчатника и кормовых культур. Тяжелый механический состав аллювиальных гидроморфных почв, с преобладанием ГМР 7 (О,П, таблица 2) определяет относительно низкие оросительные нормы (3900 - 4300 куб. м/га).
Выводы. Оценка дифференциации условий орошения в пределах современных ландшафтов Ферганской долины проводилась с помощью разработанной ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины». В основу ГИС были положены данные о землеполь-
зовании, полученные в результате дешифрования аэрокосмических снимков Landsat7, выделения полигонов орошаемого земледелия и формирования базы данных с атрибутивной информацией об особенностях современных ландшафтов, а также автоматизированных расчетов средневзвешенных оросительных норм. Примененный подход позволил выявить, что, несмотря на значительное нивелирование природных условий Ферганской долины в результате длительного орошения, ландшафтная структура определяет значительную разницу в оросительных нормах (до 40%) ландшафтных вы-делов.
В связи с неравномерной доступностью источников орошения (магистральных каналов и естественных водотоков) и ограниченной трансграничной водо-обеспеченностью ирригационной системы учет выявленной дифференциации является существенным «внутренним резервом» для повышения водообеспечен-ности Ферганской долины. Автоматизированное уточнение оросительных норм на основе предлагаемой методики с использованием современных геоинформационных технологий и позволяет повысить адаптационный потенциал региона к современным условиям водообеспечен-ности путем перераспределения водопо-дачи с учетом водопотребностей ландшафтов.
Литература
1. Бабушкин Л.Н., Когай Н.А. Физико-географическое районирование Узбекской сСсР/ под ред. В.Л.Шульца // Вопросы географического районирования Средней Азии и Узбекистана. - Ташкент: Изд-во Ташкентского государственного университета, 1964. - Выпуск 231. - С. 200-225.
2. Дунин-Барковский Л.В. Физико-географические основы ирригации - М.: «Наука», 1976 - 300с.
3. Касимов Н. С. Геохимия степных и пустынных ландшафтов - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 253с.
4. Николаев В.А. Классификация и мелкомасштабное картографирование ландшафтов - М.:, Московский университет, 1978. - 62с.
5. Стулина Г.В. Рекомендации по гидромодульному районированию и режиму орошения сельскохозяйственных культур - Ташкент: НИЦ МКВК, 2010, - 48с.
6. Шредер, В.Р. Нормы водопотреб-ления с\х культур в бассейнах р. Амур и Сырдарья - Ташкент. - 1969.
О
3
в
S
ff 2
Geographic Information System as innovative approaches to the optimization of water use in the irrigation of the Fergana valley Nikanorova A.D., Dronin N.M. Lomonosov Moscow State University Unstable transboundary water flow of Syr-Darya river caused by recent switching of the Toktogul reservoir from irrigation to energy production requires application of innovative approaches to optimize water use in irrigation of the Fergana valley. On the base of the Geographic Information System «Allocation of water resources for irrigation in Fergana valley» we estimate water demand for each landscape of
the valley. It is revealed that despite long-term irrigation and radical transformation of the valley its natural landscapes are still characterized by significantly different water demand for irrigation (up to 40 % in the case of cotton crop). This difference should be taken into account in order to reduce the risk of water scarcity in the region.
Key words: irrigation, water scarcity, Geographic Information System, the Fergana Valley, optimization of the water regime.
References
1. Babushkin L.N. Physical Geographyl zoning of Uzbekistan SSR // under redaction of Shultz V.L. // Issues of physical geography zoning of
Middle East and Uzbekistan - Tashkent, Tashkent State University. - 1964. - Vol. 231. - p. 200-235.
2. Dunin-Barkovsky L.V. Physical geography bases
of irrigation. - M. "Nauka" - 1976 - 300 p.
3. Kasimov N.S. Geochemistry of steppe and desert
landscapes. M. - MSU. - 1988. - 253 p.
4. Nikolaev V.A. Classification and mapping of
landscapes. M. - MSU. - 1978. - 62 p.
5. Stulina G.V. Recommendations for gidromodul
zoning and crop irrigation regime. - Tashkent: SIC ICWC. - 2010. - 48 p.
6. Shreder V.R. Water use norms for crops in the
Amur-Darya and Syr-Darya river basins. -Taskent. - 1969.
сч cJ
£
Б
2 ©
