CC BY
20
УДК 633.1:412
ОБОСНОВАНИЕ ВНУТРИПОЧВЕННОИ ИМПУЛЬСНОИ ДИСКРЕТНОЙ КОНЦЕПЦИИ ИРРИГАЦИИ И СПОСОБ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ
© 2012 г. В.П. Калиниченко ' , А.А. Зармаев , Н.Г. Солнцева , А.Н. Сковпень1, А.П. Ендовицкий3, А.А. Болдырев1, А.Э. Рыхлик1
'Донской государственный аграрный университет, пос. Персиановский, Ростовская область, 346493, [email protected]
1Don State Agrarian University, Persianovsky, Rostov Region, 346493, [email protected]
Академия наук Чеченской Республики, пр. им. М. Эсамбаева, 13, г. Грозный, Чеченская Республика, 364024, [email protected]
Институт плодородия почв юга России, ул. Кривошлыкова, 2, пос. Персиановский, Ростовская область, 346493
Academy of Sciences of the Chechen Republic, M. Esambayev Ave, 13, Grozny, Chechen Republic, 364024, [email protected]
Institute of Soil Fertility in Southern Russia, Krivoshlykov St., 2, Persianovsky, Rostov Region, 346493
Показан системный дефект действующей имитационной фронтальной континуально-изотропной концепции ирригации, что обусловливает неудовлетворительный контроль дифференциации подачи воды из гидротехнической проводящей системы в почву. Предложена внутрипочвенная импульсная дискретная концепция ирригации, которая в состоянии обеспечить долговременное сохранение экосистем орошаемых почв, ландшафтов и прилегающих территорий.
Ключевые слова: почва, диссипация воды, внутрипочвенная импульсная дискретная концепция ирригации.
The system distortion of existing imitational frontal continually isotropic irrigation concept had been shown. It causes the insufficient control of irrigation water differentiation from hydraulic system into the soil. An intrasoil pulse discrete irrigation concept is proposed. It permits to obtain the long-term preservation and stability of irrigated soils, landscapes and adjoining territories.
Keywords: soil, water dissipation, intrasoil pulse discrete irrigation concept.
Имитационная фронтальная гравитационная континуально-изотропная концепция ирригации не изменяется в течение нескольких тысячелетий. Концепция повторяет системный дефект гидрологического режима биосферы, причины ее несостоятельности:
- подача воды в почву фронтально и непрерывно с поверхности или изнутри почвы;
- совмещение фазы подачи воды в почву с фазой ее растекания внутри почвы.
В природе нет иного пути протекания гидрологических явлений в силу географических масштабов биосферы, составляющих ее почв и ландшафтов, гидрометеорологических процессов. Имитация природного гидрологического режима при орошении лежит в основе неблагоприятных изменений в почвах и ландшафтах при реализации всех современных способов полива. Это вызывает следствие: необходимость поиска путей использования земель в условиях ирригационного переувлажнения и засоления почв. Возникает обусловленная устаревшей концепцией ирригации потребность поиска решений, связанных с применением биосферных проблем. В частности, предложено часть периода эксплуатации оросительной системы отводить на восстановление почв, снижение их засо-
ления, переводя в богарный режим, возделывая неорошаемые культуры [1, 2]. Имеются иные решения, но ни одно из них не затрагивает сути проблемы, которая заключается в природном дефекте гидрологического режима биосферы.
Ведущими вопросами в условиях продолжающегося использования существующей концепции ирригации, возникшими в процессе десятилетних исследований фактического состояния ирригации в СССР, России и мире, являются:
а) зачем искать возможности восстановления почв после мелиорации, не лучше ли усовершенствовать мелиорацию так, чтобы она не приносила вред [3, 4];
б) чем компенсировать убыль урожая богарных культур, если на ухудшенных в результате орошения, выполняемого в рамках устаревшей имитационной фронтальной гравитационной континуально-изотропной концепции ирригации, почвах и ландшафтах растения дают урожайность меньшую, чем до орошения в том же ландшафте в условиях зональной (или дождевой) системы земледелия [5, 6];
в) как избежать в будущем экологических катастроф масштаба Аральской [7].
Несостоятельность имитационной фронтальной гравитационной континуально-изотропной концепции ирригации
Задачей настоящего исследования является на основании более чем столетнего материала изучения почв степи, сухой степи, пустыни, выполненного в том числе нами, установить природу системного кризиса ирригации, проявляющуюся в постоянной деформации гидрологического режима, водного баланса, стабильности почвенного покрова, гидрогеологической обстановки и ландшафтных последствий, сопровождающих функционирование практически любого ирригационного объекта в момента введения его в действие.
Схема исследования выбрана так, чтобы установить, почему конечность периода эксплуатации ирригационного объекта обычно является не просто обстоятельством ограниченного срока его службы, что в принципе характерно для любой сферы человеческой активности, но приводит к долгосрочной деформации ранее относительно стабильных систем, часто с катастрофическими последствиями для цивилизации: Шумер, Египет, Алхан-Чуртская долина Чечни и Ингушетии в 20-х гг. XX в. [8], Средняя Азия, Ростовская область во второй половине XX [5, 6] - начале XXI в. и многие другие объекты [3, 9 - 11].
Применен метод теоретического обобщения с базой ретроспекции фундаментальных научных обобщений и прикладных результатов 150-200 лет.
Показано, что преодолевать следует не следствия ирригации, выполняемой в рамках старой концепции, а ее системный дефект.
Никакие современные способы полива, имитирующие естественное увлажнение почвы, не в состоянии преодолеть нисходящий режим промачивания почвы, вымывание содержащихся в ней веществ, гравитационное водное переуплотнение почвы, что установлено, например, для орошаемых почв Алхан-Чурт-ской долины [8].
Природа почвообразующей породы орошаемых почв чаще всего эоловая или кольматационная. Переувлажнение, которое сопровождает имитацию фронтального латерально однородного промачива-ния почвы с совмещением фазы подачи воды и фазы ее диссипации в почве, губительно для такой почвы, ее структуры, условий развития в ней ризосферы растений и организмов почвы. Поэтому самое известное явление - слитизация почв в условиях орошения -системный дефект ирригации.
Большинство синтезированных в почве и исходно находившихся в почвообразующей породе веществ за счет выщелачивания становятся недоступными растениям и исключаются из биологического оборота в биосфере, поступая в глубокие горизонты почвы, что расточительно. На этапе избыточного у в-лажнения вещества конвективным путем поступают в глубь почвы, а на этапе иссушения слитая после фронтального увлажнения сверху почва препятствует развитию корневой системы, которая не успевает за фронтом выщелачивания питательных веществ в глубь почвы.
Засоление почвы, известный бич ирригации, на фоне засоленных почвообразующих пород при гравитационном поступлении воды реализуется в подав-
ляющем большинстве случаев, поскольку имеет место поршневой конвективно-диффузионный водный режим почвы.
Еще одним неблагоприятным обстоятельством является гидрологический режим территории, который в действующей концепции ирригации не отрегулирован. Поэтому кроме вертикального интенсивного в условиях избыточной с биогеосистемной точки зрения средней влажности орошаемой почвы дополнительно происходит перераспределение воды между элементами микро- и мезорельефа [12]. В такой почвенно-конти-нуальной водной солевой обстановке имеются устойчивые предпосылки сосредоточенного «предпочтительного» проникновения оросительной воды из почвы в грунтовые вода по трещинам и границам педов в результате свойственной всем почвам латеральной микронеоднородности водопроницаемости [13].
Гравитационные эффекты латерального перераспределения ирригационной воды в почвенном континууме на нано-, микро- и мезоуровне следуют из термодинамики движения воды в почве. Для движения воды необходим градиент термодинамического потенциала [4, 7, 14].
Как правило, интенсивность подачи воды в почву выше текущей скорости инфильтрации. При малейшей рекомбинации структурных отдельностей почвы под воздействием на внутреннюю поверхность почвы проходящей по крупным капиллярам воды, в процессе полива текущая средняя скорость инфильтрации воды в почву лавинообразно падает. Скорость неустановившегося процесса проникновения воды в почву уменьшается по типу положительной обратной связи. Образуется фронт промачивания. В тыльной части фронта промачивания почвы формируется такая влажность, при которой создается заведомо больший, чем в нижележащих слоях почвы, потенциал влаги.
Поскольку почва оказывает сопротивление гравитационному продвижению влаги, то текущий термодинамический потенциал влаги в верхних слоях в лучшем случае отрицательный и близок к нулю.
Поршневому режиму промачивания почвы способствует также и то, что она характеризуется гистерезисом водоудерживания.
Некоторая иллюзия оптимизации режима увлажнения почвы содержится в предложениях добиться улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель путем сокращения поливных норм. В действительности проявление поршневого гравитационного режима увлажнения почвы при таком решении только немного ослабляется, но суть его отрицательного воздействия на почву и находящиеся в ней вещества остается неизменной.
То же в отношении предложений увлажнять почву после полива не до наименьшей влагоёмкости (НВ), а до состояния влажности 90-95 % НВ.
Во-первых, собственно понятие НВ - количество воды, которое может удержать почва через 2 сут после увлажнения при неограниченном гравитационно-капиллярном стоке в отсутствие испарения с поверхности почвы, является довольно условным, причем статическим параметром.
Во-вторых, каким бы ни было разнообразие результатов серии статических экспериментов с НВ, решающим условием их протекания является термодинамика
влагопереноса в почве, согласно которой отрицательные особенности гравитационного режима промачива-ния почвы проявляют себя в любом частном случае варьирования количества просочившейся в почву воды. Поэтому НВ является только стадией процесса влаго-переноса и некоторой изменяющейся по определению величиной, которую автор, А.А. Роде, предлагал в качестве почвенно-гидрологической константы с большой долей условности, преимущественно как инструмент сравнения почв между собой [14].
Поэтому произвольное манипулирование значением НВ при назначении расчетной влажности почвы после полива в действительности означает уменьшение расчетного слоя промачивания почвы [14].
В природных условиях и при стандартной ирригации почва представляет собой преимущественно субстрат, в котором идет вертикальный интегрированный транзит воды при всех известных способах полива. Нет иного пути поступления воды, например, в слой почвы 40-41 см, как пройдя перед этим 40 таких же расположенных выше слоев почвы. Следовательно, например, сквозь слой почвы 0-1 см проходит в 40 раз больше воды, чем это необходимо для собственно его увлажнения. Естественно, это неблагоприятно сказывается на свойствах транзитных слоев. Один из известных показателей такого влияния - значительное изменение минералогического состава почв по сравнению с почвообразующей породой [6].
При образовании природных почв описанная ситуация проникновения воды внутрь почвы не регулируется - в природе нет иного пути почвообразования. При ирригации подобное расходование воды и попутное ускоренное разрушение почвы представляются расточительностью в духе избыточного уничтожения человеком собственного ареала.
При обычных способах полива имеет место гравитационная нестабильность системы вода - почва.
Нестабильность обусловлена, с одной стороны, флотацией структурных отдельностей почвы. Процесс ведет к слитизации почвы.
С другой стороны, нестабильность агрегатов почвы ведет к нестабильности направления потока воды. Этот поток на фоне общей тенденции нисходящего движения приобретает обусловленную рекомбинацией агрегатов почвы стохастическую латеральную составляющую [13, 14]. Это приводит к нанонеоднород-ности промачивания почвы, формированию предпочтительных потоков влаги в почве, их слиянию и потере воды из почвы вглубь в полном соответствии с классической теорией устойчивости Эйлера.
Высокая вероятность такого явления показана опытами в ячеистых лизиметрах [13].
При стандартной фронтальной ирригации в условиях высокой средней влажности почвы и зоны аэрации создаются предпосылки достаточно быстрого диффузионного поступления легкорастворимых солей из грунтовых вод в почву сквозь однородно обильно увлажненную толщу грунта и почвы. Указанные причины обусловливают засоление почвы от грунтовых вод при всех известных способах полива, включая капельный способ [1, 9, 10]. По этой причине никакие меры управления солевым режимом не применимы в
диапазоне экологически и экономически целесообразных действий.
Предлагаемая нами жесткая критическая постановка вопроса о несостоятельности имитационной фронтальной гравитационной континуально-изотропной концепции ирригации следует из предлагаемых в настоящем сообщении мер ее коррекции.
Сообщается, например, что преодолеть проблемы последствий современной ирригации можно циклическим орошением [1, 2]. В тезисе о циклическом орошении содержится противоречие, ведь преодолевать последствия орошения, проявляющиеся в виде подъема грунтовых, произошедшего в результате орошения, т.е. в связи с нерациональностью действующей концепции ирригации, предлагают, по умолчанию полагая концепцию ирригации неизменной.
Между тем именно эта концепция и является системной причиной переувлажнения и засоления почв, дестабилизации ландшафта, ландшафтных последствий в сопредельных орошаемым ландшафтных системах. Это все - следствие отсутствия мер биологически и континуально надлежащей диссипации оросительной воды в почвах [15].
При действующей концепции ирригации контроль дифференциации подачи воды в почву из гидротехнической проводящей системы неудовлетворителен с точки зрения дифференциации почвенного континуума.
Выполненный теоретический анализ ведущих причин проблем, которые в биосфере обусловливает имитационная фронтальная континуально-изотропная концепция ирригации, лежит в основе принципиально новой внутрипочвенной импульсной дискретной концепции ирригации, которая базируется на современных технических возможностях технологического уклада высокого мирового уровня [16].
Внутрипочвенная континуально-дискретная импульсная концепция ирригации направлена на решение проблемы системного дефекта гидрологического режима биосферы и предназначена для создания устойчивых продуктивных ирригационных систем, долговременно функционирующих без неблагоприятных экологических последствий.
Концепция позволяет решить следующие задачи:
- обеспечить долговременное сохранение исходных экосистем орошаемых почв, ландшафтов и прилегающих территорий;
- обеспечить среднюю влажность почвы 50-60 % от объема пористости, понизить средний термодинамический потенциал воды в почве, повысить среднюю концентрацию почвенного раствора;
- элиминировать фронтальное гравитационное увлажнение почв, ликвидировав условия образования предпочтительных потоков оросительной воды в грунтовые воды, исключив латеральное гидрологическое, гидравлическое и гидрогеологическое перераспределение воды;
- элиминировать непроизводительные потери воды, физическое испарение влаги с поверхности почвы, утрату структуры почвы, обусловленный ирригацией геохимический охват ландшафта, засоление почвы оросительной водой и вторичное засоление;
- ликвидировать ирригационное нарушение гидрологического, гидрогеологического режима, диффе-
ренциацию структуры почвенного покрова, потребность в ирригационном дренаже при использовании исходно засоленных почв, что удешевляет орошение в 10 и более раз;
- сократить расход воды на ирригацию в 4-5 раз, чем ослабить остроту глобальной проблемы пресной воды и обеспечить готовность человечества к вероятному эксцессу цикла засушливости климата Земли.
В порядке принципиально нового подхода к ирригации разработан способ внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений, позволяющий преодолеть недостатки всех, в том числе самых современных, способов полива [16].
В частности, известен способ внутрипочвенного орошения, при котором вода подается в почву к корневой системе растений из труб с отверстиями, уложенных в почву на глубину 0,5-0,6 м для регулирования уровня грунтовых вод [17].
Согласно схеме на рис. 1, при способе внутрипоч-венного орошения в начальный момент полива Ъо после подачи воды в подпочвенный увлажнитель 3 она поступает в почву через отверстия перфорации 4 и происходит формирование отдельных контуров увлажнения почвы 1.
'о Н
/Г
-&Sm J
Eü3
Kw,
Kw,
Kw,
Kw,
Kw,
Kw,
•5
л
Рис. 2. Схема увлажнения почвы при способе капельного орошения: 1, 2 - контур увлажнения; 3 - увлажнитель;
4 - перфорация; 5 - уровень грунтовых вод
Кардинальное решение задачи регулирования гидрологического режима СПП обеспечивает предлагаемый способ внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений [12].
Блок-схема внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений представлена на рис. 3.
Рис. 1. Схема увлажнения почвы при способе внутри-почвенного орошения: 1, 2 - контур увлажнения; 3 - увлажнитель; 4 - перфорация; 5 - уровень грунтовых вод
В процессе непрерывного гравитационного полива вода растекается в почве. Отдельные контуры увлажнения 1 смыкаются в горизонтальном направлении и в момент при пространственной неоднородности коэффициента влагопроводности почвы (^^»Кда^Кда^ вдоль подпочвенного увлажнителя наступает стадия транзитной потери части оросительной воды, возникает деформированный контур увлажнения 2, происходит локальный подъем уровня грунтовых вод 5.
Также известен способ капельного орошения [18]. Согласно схеме на рис. 2, при способе капельного орошения в начальный момент полива Ъо после подачи воды в поливной трубопровод 3 она поступает на поверхность почвы через капельницы 4 и происходит формирование отдельных контуров гравитационно-капиллярного увлажнения почвы 1. В процессе непрерывного полива вода растекается в почве, отдельные контуры гравитационного увлажнения 1 смыкаются в горизонтальном направлении. В момент времени при пространственной неоднородности коэффициента влагопроводности почвы (Кда1>>Кда2>Кда3) вдоль поливного трубопровода наступает стадия транзитной потери части оросительной воды, возникает деформированный контур увлажнения 2, происходит локальный подъем уровня грунтовых вод 5.
Рис. 3. Блок-схема выполнения способа внутрипочвенного импульсного полива растений: 1 - блок электрического питания и привода; 2 - блок шасси; 3 - блок управления; 4 - блок подачи поливной воды; 5 - гидравлический клапан; 6 - шприцевой элемент для импульсной подачи воды в почву
Способ предусматривает подачу воды внутрь почвы посредством шприцевого элемента 6 путем последовательного пошагового импульсного впрыска воды под давлением дискретными порциями. Шприцевой элемент 6 установлен на шасси 2 в исходном положении над поверхностью почвы. Полив производят последовательно в пространстве поливного участка, перемещая шприцевой элемент 6 с помощью шасси 2 и блока электрического питания и привода 1. Последовательно по сигналу блока управления 3 погружают нижний конец шприцевого элемента 6 в почву на глубину 0,05-0,15 м пошагово вдоль направления движения шасси через 0,1-0,15 м. По сигналу блока управления 3 выполняют дискретный пошаговый впрыск воды из блока подачи поливной воды 4 через гидравлический клапан 5 и шприцевой элемент 6 в почву импульсом продолжительностью 0,1-0,3 с под давлением 0,15-0,2 МПа. Начинают впрыск с момента погружения нижнего конца шприцевого элемента в поч-
ву и заканчивают в момент его извлечения из почвы. Полив производят стабильными дискретными порциями воды 20-100 мл, дозированными согласно поливной норме.
Динамика контура увлажнения в почве представлена на рис. 4 от исходного положения шприцевого элемента в начальный момент подачи импульса полива ^ по этапам процесса полива при нахождении шприца 1 в почве в моменты времени с нарастанием размера контура промачивания 2. По завершении импульса в момент времени ^ наступает стадия капиллярного рассредоточения воды внутри заданного объема почвы, без гравитационного стекания заданной дискретной порции воды, без смыкания смежных зон увлажнения.
В процессе импульса подачи воды и по его окончании идет процесс капиллярного термодинамического перераспределения влаги из исходного дискретного объема импульсно увлажненной почвы в расчетный дискретный объем увлажнения ризосферы. Полив выполняется без неблагоприятного вертикального транзита воды сквозь почву.
Рис. 4. Динамика контура увлажнения в почве при способе внутрипочвенного импульсного полива растений: 1 - шприц; 2 - контур промачивания почвы
Большинство случаев аграрной или индустриальной турбации профиля почвы, в том числе орошение, являются с точки зрения почвоведения разрушительными генетическими воздействиями, производимыми без учета функций почвы как природного тела и долговременных аспектов динамики почвенного континуума и биогеосистемы, частью которого он является. Применение внутрипочвенной импульсной дискретной концепции ирригации позволит снизить степень ограничений, накладываемых природными свойствами географических ресурсов и представленных там почв на возможности долговременно, стабильно и непротиворечиво использовать географическую среду в геоэкологических и социальных системах [11, 19].
Выводы
При реализации всех современных способов полива неблагоприятные изменений в почвах и ландшафтах являются органичным следствием дифференциации подачи воды из гидротехнической проводящей системы в почву, не контролируемой в рамках дейст-
вующей имитационной фронтальной гравитационной континуально-изотропной концепции ирригации.
Предложена внутрипочвенная импульсная континуально-дискретная концепция ирригации, которая дает инструмент управления поведением воды от момента ее состояния как потока или объема и до момента завершения диссипации воды в дисперсной системе почвы.
Литература
1. Бобченко В.И. Сочетание орошаемого и богарного земледелия // Мелиорация и водное хозяйство. 1998. № 5. С. 5 - 8.
2. Патент RU № 2324331. Способ мелиорации орошаемых черноземов / Щедрин В.Н., Васильев С.М., Бородычев В.В., Салдаев А.М., Андреева Т.П. Заявка № 2006133800/12 от 21.09.06. Опубл. 20.05.08. Бюл. № 14. 7 с.
3. Судницын И.И. Может ли «улучшение» почв привести к их «ухудшению»? // Почвоведение. 2008. № 9. С. 1132 - 1133.
4. Balakay G.T., Ivanova N.A., Kalinitchenko V.P., Minki-na T.M. Ecosystem's fragility under the continuous methods of irrigation // FAO. Global Forum on Salinization and Climate Change. 25-29 October 2010. Valencia, Spain, 2010.
5. Сковпень А.Н., Калиниченко В.П. Многолетняя динамика свойств черноземов обыкновенных в условиях орошения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2006. № 11. С. 94 - 100.
6. Солнцева Н.Г., Калиниченко В.П. Баланс илистой фракции чернозема при орошении // Плодородие. 2007. № 1. С. 30 - 31.
7. Морозов А.Н. Об условиях возможного применения совершенных способов полива в современных условиях // Проблемы и пути формирования экономических взаимоотношений водного и сельского хозяйства в условиях развития рыночных реформ : сб. тез. докл. к конф. USAID, AED и САНИИРИ. Ташкент, 2004. С. 176 - 181.
8. Моткин В.М. Павлов Е.Ф., Панков А.М. Почвы Чечни / ред. А.М. Панков. Владикавказ, 1930. 419 с.
9. Панкова Е.И. Критический анализ развития орошения в Советском Союзе // Почвоведение. 2008. № 8. С. 1138 - 1140.
10. Андреев Г.И., Козлечков Г.А., Андреев А.Г. Экологическое состояние орошаемых почв на Нижнем Дону. Днепропетровск, 2007. 261 с.
11. Ковда В.А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана. М., 1981. 183 с.
12. Минкин М.Б., Калиниченко В.П., Садименко П.А. Регулирование гидрологического режима комплексных солонцовых почв. Ростов н/Д, 1986. 231 с.
13. Исследование предпочтительных потоков влаги в лугово-черноземной почве Саратовского Заволжья / Н.В. За-тинацкий [и др.] // Почвоведение. 2007. № 5. С. 585 - 599.
14. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Л., 1965. Т. 1. 663 с.; Т. 2. 297 с.
15. Ильинская И.Н., Шкодина О.П. Нормирование водо-отведения - фактор рационального водопользования // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. Новочеркасск, 2009. Вып. 41. С. 74 - 84.
16. Патент RU № 2386243. Способ внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений / Калиниченко В.П. Заявка № 009102490/12 от 26.01.09. Опубл. 20.04.10. Бюл. № 11. 7 с.
17. Бобченко В.И. Подпочвенное орошение. М., 1957. 127 с.
18. Ясониди О.Е. Капельное орошение. Новочеркасск, 2011. 322 с.
19. Стратегии пространственного развития в Российской Федерации: географические ресурсы и ограничения / С.С. Артоболевский [и др.] // Изв. РАН. Сер. географ. 2009. № 3. С. 8 - 17.
Поступила в редакцию
27 декабря 2011 г.
