CC BY
0УДК 631.671:551.582
Ж. С. Мустафаев1, А. Т. Козыкеева2, А. М. Камалиев3
1 Д.т.н., профессор, профессор кафедры «водные ресурсы и мелиорация» (Казахский национальный аграрный университет, Алматы, Казахстан) 2Д.т.н., доцент, профессор кафедры «водные ресурсы и мелиорация» (Казахский национальный аграрный университет, Алматы, Казахстан)
4Магистр, докторант PhD кафедры «водные ресурсы и мелиорация» (Казахский национальный аграрный университет, Алматы, Казахстан)
ОЦЕНКА ВОДОПОТРЕБНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ ВОДОСБОРА БАССЕЙНА РЕКИ ШУ
Аннотация. На основе многолетних информационно-аналитических материалов Кыргызгидромета (Кыргызской Республики) и Казгидромета (Республики Казахстан), охватывающих 1930-2017 годы, выполнено прогнозирование дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур Op и экологической водо-
потребности угодий Оэ- с учетом изменения климата на водосборах бассейна реки Шу в пространственно-
Р'
временном масштабе. Ожидается, что их количественные значения до 2050 года увеличатся с 8,0 до 27,0 % при переходе от горной территории к равнинной.
Ключевые слова: климат, водосбор, река, бассейн, изменение, оценка, температура воздуха, атмосферные осадки, коэффициент естественного увлажнения, гидротермический показатель, дефицит водопотребле-ния, экологическая норма, сельскохозяйственная культура, угодья.
Введение. В Центральной Азии и Казахстане вследствие продолжающихся глобальных изменений климата ожидаются изменения естественной тепло- и влагообеспеченности почвенного и растительного покровов ландшафтов, которые приведут к росту дефицита водопотребности сельскохозяйственных угодий и сокращению водных ресурсов, влекущих за собой снижение средо-образующих или экологических функций речных бассейнов.
Теоретическое обоснование нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий может быть приведено на основе закона сохранения энергии, так как рассмотрение процесса влагообмена между деятельностью поверхности участка суши и воздухом немыслимо без связи с теплообменом. Как любой физический процесс изменений и превращений, теплообмен в конкретной точке пространства за известный промежуток времени характеризуется балансом прихода и расхода энергии, являющихся функциональной деятельностью климатических показателей региона. Поэтому следствием глобального изменения климата является формирование цепочки взаимосвязанных процессов.
Цель исследований - на основе анализа и оценки уровня наблюдаемых и ожидаемых климатических изменений на водосборах бассейна реки Шу определить степень воздействия их на формирование водопотребности сельскохозяйственных угодий для эффективных действий по адаптации к климатическим изменениям водного и сельского хозяйств региона.
Объект исследований - река Шу, главная река Северного Кыргызстана. Образуется при слиянии рек Кочкор и Жуванарык. Общая площадь водосборов бассейна - 68 тыс. км2, 57 % этой территории приходится на Кыргызстан и 43 % - на Казахстан. Среди главных притоков Шу - реки Чон-Кемин и Курагаты. На равнинной территории русло реки разделяется на несколько рукавов -Гуляевские (Фурмановские) и Уланбельские разливы, аккумулирующие зимний сток, и Камкалин-ские разливы, аккумулирующие весенний сток.
Материалы и методы исследования. Основными исходными данными являются ряды среднемесячной температуры и относительной влажности воздуха и атмосферных осадков с 1931 по 2017 год, базирующиеся на многолетних информационно-аналитических материалах Кыргызгидромета (Кыргызской Республики) и Казгидромета (Республики Казахстан) по метеорологическим станциям, расположенным на водосборах бассейна трансграничной реки Шу [1, 2].
В обоснование нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий или культур положен принцип энергетической сбалансированности тепла и влаги с учетом природных режимов.
На основе многолетних экспериментальных и теоретических исследований связи суммарного испарения с такими метеорологическими показателями, как температура и влажность воздуха, скорость ветра, солнечная радиация (радиационный баланс), разработаны различные модификации методики определения суммарной водопотребности сельскохозяйственных культур и угодий.
Теоретической основой биоклиматического метода, широко используемого водохозяйственными организациями и проектными институтами Республики Казахстан, является определение соотношения между суммарным испарением и испаряемостью, которые определяются по формуле Н. Н. Иванова [3]:
Ео = 0,0018-(25 + 02(100-а), где Ео - месячная испаряемость, мм; t - средняя месячная температура воздуха, °С; а - средняя месячная относительная влажность воздуха, %. Считается доказанным, что расход воды сельскохозяйственным полем при оптимальном увлажнении почвы подчиняется физическому закону испарения, т.е. роль деятельной поверхности (почвенного и растительного покровов) в регулировании влагообмена сводится в этом случае к минимуму, а суммарное водопотребление (суммарное испарение, эвапотранспирация) определяется в основном термическим состоянием приземного слоя атмосферы. Таким образом, в методиках и расчетных моделях нормирования водопотребности на основе биоклиматического метода в качестве расчетной зависимости для определения испаряемости (Ео) используется модифицированная формула Н. Н. Иванова, которая имеет следующий вид [4]:
Ео = - Л - /(V) - Кб - Ко ,
где к1 = 0,0061(25 + ^)2 / еа - энергетический фактор испарения, мм/мб; Ео - упругость насыщенного пара, соответствующая этой температуре (табличное число), мб; Л = еа (1 - 0,01 - а) - дефицит влажности воздуха, мб; /(у) = 0,64(1 + 0,19 - У2 - функция, учитывающая влияние скорости ветра на
испарение; У2 - скорость ветра на высоте 2 м от поверхности земли, м/с; Кб - биологический коэффициент культуры; Ко - микроклиматический коэффициент.
В обоснование экологически приемлемых норм водопотребности сельскохозяйственных угодий использован комплексный гидротермический показатель («индекс сухости») Я], представляющий собой отношение радиационного баланса Я] к затратами тепла на испарение выпавших атмосферных осадков Ь - ОС1 [5]:
я] = я / ь - ос],
где Ь - удельная теплота парообразования, принятая постоянной и равной 2,5 кДж/см2.
Этот показатель, характеризующий баланс энергии и в должной мере определяющий интенсивность протекания биохимических и геохимических процессов на суше, может быть положен в обоснование экологически приемлемых норм водопотребности сельскохозяйственных угодий. При условии орошения комплексный гидротермический показатель («индекс сухости») Я]о имеет следующий вид [6]: Я] = Я] / Ь - (Ос] + Ор1), где Ор] -оросительная норма сельскохозяйственных угодий, мм. Если решить это уравнение относительно оросительной нормы сельскохозяйственных угодий Ор], тогда получим [7]: Ор! = (Я] /Ь - Я]о) - Ос], где Я]о - комплексный гидротермический
показатель («индекс сухости») в условиях орошения. В качестве критерия за период вегетации сельскохозяйственных культур для среднемноголетних условий принято значение 0,90.
Результаты исследований. Для оценки изменения дефицита водопотребности сельскохозяйственных земель на водосборах бассейна реки Шу использован катенарный подход, который предполагает геоморфологическую схематизацию ландшафтных катен водосборов речных бассейнов, характеризующих зоны горного класса ландшафтов (элювиальная фация), предгорного подкласса ландшафтов (трансэлювиальная фация), предгорного равнинного подкласса ландшафтов (трансаккумулятивная фация) и равнинного класса ландшафтов (супераквальная и субаквальная фации) [8]. В среднем в водосборе бассейна реки Шу в период инструментальных наблюдений
- 11 -
(1981-2017 гг.) в сравнении с базовым (1941-1960 гг.) в горном классе ландшафтов (элювиальная фация, метеостанция «Тео-Ашуу») происходило снижение среднемесячных и годовых температур воздуха, которые приводили к похолоданию климата, увеличению атмосферных осадков, повышающих естественную влагообеспеченность природной системы. Начиная с предгорного класса ландшафтов (трансэлювиальная фация) до равнинного подкласса ландшафтов (субаквальная фация) наблюдается повышение среднемесячных и годовых температур воздуха и снижение атмосферных осадков, что привело к увеличению длительности биологического активного периода и аридизации климата. Это необходимо учитывать при комплексном обустройстве водосборов бассейна реки Шу
[9, 10].
Таким образом, прогнозирование дефицита водопотребности сельскохозяйственных культур и экологической водопотребности угодий с учетом изменения климата на водосборах бассейна реки Шу в пространственно-временном масштабе проводилось по следующей формуле, учитывающей направленность изменения составляющих водного баланса орошаемых земель (Т - увеличение, — -уменьшение составляющих водного баланса):
о pi = aepi = k6 ■ ко ■ е^о - ащ - o-cb = eu "ащ - °-c,
°рг = (% /L ■ ) - O-c , где АЩ - продуктивный запас влаги в расчетном слое почвы в начале вегетационного периода.
При этом базовая норма водопотребности сельскохозяйственных культур при оценке и прогнозировании нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий на водосборах реки Шу по водохозяйственным бассейнам и природно-климатическим зонам до 2050 года принята на основе «Укрупненных норм водопотребности для орошения по природно-климатическим зонам СССР», разработанным Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР [11], и по рекомендации Казахского научно-исследовательского института водного хозяйства «Нормирование орошения в водохозяйственных бассейнах Казахстана» [12], а экологическая норма водопотребности - по рекомендации Ж. С. Мустафаева и А. Д. Рябцева [11] (таблицы 1 и 2).
Таблица 1 - Ожидаемые среднемноголетние дефициты водопотребности сельскохозяйственных культур (нетто)
на водосборах бассейна реки Шу до 2050 года
Природно-климатические зоны Коэффицент увлажнения Ку Культуры Среднемноголетний дефицит водопотребности сельскохозяйственных культур Ор, мм
базовая прогнозируемая
2030 2040 2050
1 2 3 4 5 6 7
Кыргызская экологическая система (Чуйская область)
Элювиальная (горная) <0,50 Многолетние травы 245 235 225 215
Кукуруза на силос 145 139 133 127
Картофель 180 172 166 158
Овощи 245 235 225 215
Яровые зерновые 105 101 97 92
Сады и ягодники 190 182 174 167
Трансэлювиальная (предгорная) 0,50-0,30 Многолетние травы 550 568 575 595
Кукуруза на силос 280 287 294 300
Картофель 320 329 338 345
Овощи 375 385 395 405
Яровые зерновые 200 206 212 216
Сады и ягодники 440 452 464 475
Бахчевые 200 205 210 216
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7
Кукуруза на зерно 345 354 363 372
Озимая пшеница 140 144 148 151
Многолетние травы 725 740 755 770
Кукуруза на силос 415 423 431 440
Картофель 485 495 505 515
Овощи 585 597 609 620
Трансаккуму- Яровые зерновые 315 322 328 335
лятивная (предгорная равнинная) 0,30-0,20 Сады и ягодники 645 658 671 685
Бахчевые 340 347 354 360
Кукуруза на зерно 505 515 525 535
Озимая пшеница 255 260 265 270
Сахарная свекла 625 638 649 660
Соя 440 448 456 465
Казахстанская экологическая система (Жамбылская область)
Многолетние травы 245 235 225 215
Кукуруза на силос 145 139 133 127
Элювиальная <0,50 Картофель 180 172 166 158
(горная) Овощи 245 235 225 215
Яровые зерновые 105 101 97 92
Сады и ягодники 190 182 174 167
Многолетние травы 550 568 575 595
Кукуруза на силос 280 287 294 300
Картофель 320 329 338 345
Овощи 375 385 395 405
Трансэлювиальная (предгорная) 0,50-0,30 Яровые зерновые 200 206 212 216
Сады и ягодники 440 452 464 475
Бахчевые 200 205 210 216
Кукуруза на зерно 345 354 363 372
Озимая пшеница 140 144 148 151
Многолетние травы 725 740 755 770
Кукуруза на силос 415 423 431 440
Картофель 485 495 505 515
Овощи 585 597 609 620
Трансаккуму- Яровые зерновые 315 322 328 335
лятивная (предгорная равнинная) 0,30-0,20 Сады и ягодники 645 658 671 685
Бахчевые 340 347 354 360
Кукуруза на зерно 505 515 525 535
Озимая пшеница 255 260 265 270
Сахарная свекла 625 638 649 660
Соя 440 448 456 465
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7
Многолетние травы 770 840 910 978
Кукуруза на силос 450 457 464 571
Картофель 565 616 667 718
Овощи 670 730 790 851
Яровые зерновые 355 387 419 450
Супераквальная 0,20-0,10 Сады и ягодники 730 797 864 930
(равнинная) Бахчевые 400 437 474 510
Кукуруза на зерно 550 600 650 700
Озимая пшеница 295 321 348 375
Подсолнечник 485 528 571 615
Сахарная свекла 735 805 880 935
Соя 470 512 554 595
Многолетние травы 660 706 752 800
Кукуруза на силос 400 428 456 485
Супераквальная >0,10 Картофель 500 535 570 605
(равнинная) Овощи 620 663 706 750
Яровые зерновые 330 353 376 400
Сады и ягодники 630 675 720 765
Таблица 2 - Ожидаемые среднемноголетние дефициты экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий (нетто) на водосборах бассейна реки Шу до 2050 года
Природно-климатические зоны Коэффицент увлажнения Ку Среднемноголетний дефицит экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий оэ■, pi мм
базовая прогнозируемая
2030 2040 2050
Кыргызская экологическая система (Чуйская область)
Элювиальная (горная) <0,50 165 158 152 145
Трансэлювиальная (предгорная) 0,50-0,30 345 355 365 375
Трансаккумулятивная (предгорная равнинная) 0,30-0,20 445 455 465 475
Казахстанская экологическая система (Жамбылская область)
Элювиальная (горная) <0,50 165 158 152 145
Трансэлювиальная (предгорная) 0,50-0,30 345 355 365 375
Трансаккумулятивная (предгорная равнинная) 0,30-0,20 445 455 465 475
Супераквальная (равнинная) 0,20-0,10 560 610 660 710
Супераквальная (равнинная) >0,10 660 706 752 800
Выводы. Многофакторные прогнозные расчеты дефицита нормы водопотребности сельскохозяйственных культур и экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий в пространственно-временном масштабе, то есть с учетом изменения температур воздуха и атмосферных осадков, характеризующих энергетические ресурсы природной системы на водосборах бассейна реки Шу, показали, что до 2050 года их количественные значения в зоне горного класса ландшафтов (элювиальная фация) уменьшатся до 14,0 %, предгорного подкласса ландшафтов (трансэлювиальная фация) увеличатся до 8,0 %, предгорного равнинного подкласса ландшафтов
(трансаккумулятивная фация) - до 6,0 %, равнинного класса ландшафтов (супераквальная фация) - до 27 % и субаквальная фация - до 21 %, что приведет к формированию «водного стресса» и большим водохозяйственным проблемам, потребующих принятия решений на межгосударственном уровне, направленных на урегулирование отношений в сфере водопользования.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 13: Многолетние данные. Ч. 1-6, вып. 18: КазССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - Кн. 2. - 656 с.
[2] Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 13: Многолетние данные. Ч. 1-6, вып. 32: Киргизская ССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 589 с.
[3] Иванов Н.Н. Зоны увлажнения земного шара // Изв. АН СССР. Серия география и геофизика. - 1941. - № 3. -С. 15-32.
[4] Данильченко Н.В. Биоклиматическое обоснование суммарного водопотребления и оросительных норм // Мелиорация и водное хозяйство. - 1999. - № 4. - С. 25-29.
[5] Будыко М.И. Климат и жизнь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 470 с.
[6] Айдаров И.П., Голованов А.И., Никольский Ю.Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель (рекомендации). - М.: ВО «Агропромиздат», 1990. - 60 с.
[7] Мустафаев Ж.С. Экологическое обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель. - Saarbrucken, 2016. -
375 с.
[8] Кирейчева Л.В., Козыкеева А.Т., Даулетбай С.Д. Комплексное обустройство реки Шу. - Saarbrucken, 2016. -
140 с.
[9] Mustafayev Zh.S., Kozykeyeva A.T., Kamaliyev A.M. Climatic changes in the basin of the transboundaryShu river // News of the National academy of sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of agricultural sciences. - 2019. - Vol. 5, N 53. -P. 104-112.
[10] Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Камалиев А.М.Изменение климата бассейна трансграничной реки Шу // Актуальные проблемы наук о Земле. Исследование трансграничных регионов. - Брест: БрГУ им. А. С. Пушкина, 2019. -Ч. 1. - С. 226-229.
[11] Укрепленные нормы водопотребности для орошения по природно-климатическим зонам СССР. - М., 1984. -
346 с.
[12] Ибатуллин С.Р., Кван Р.А., Парамонов А.И., Балгабаев Н.Н. Нормирование орошения в водохозяйственных бассейнах Казахстана. - Тараз, 2008. -122 с.
[13] Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д. Адаптивно-ландшафтная мелиорация земель в Казахстане. - Тараз: BIGNEO Service, 2012. - 528 c.
REFERENCES
[1] Scientific-applied reference on the climate of the USSR. Series 13: Perennial Data. Part 1-6, issue 18: KazSSR. L.: Gidrometeoizdat, 1989. Book. 2. 656 p. (in Russ.).
[2] Scientific and applied reference to the climate of the USSR. Series 13: Perennial Data. Part 1-6, issue 32: Kyrgyz SSR. L.: Gidrometeoizdat, 1989. 589 p. (in Russ.).
[3] Ivanov N.N. Humidification zones of the globe // Izv. USSR Academy of Sciences. Series geography and geophysics. 1941. N 3. P. 15-32 (in Russ.).
[4] Danilchenko N.V. Bioclimatic substantiation of total water consumption and irrigation norms // Land Reclamation and Water Management. 1999. N 4. P. 25-29 (in Russ.).
[5] Budyko M.I. Climate and Life. L.: Gidrometeoizdat, 1971. 470 p. (in Russ.).
[6] Aidarov I.P., Golovanov A.I., Nikolsky Yu.N. Optimization of reclamation regimes of irrigated and drained agricultural lands (recommendations). M.: VO Agropromizdat, 1990. 60 p. (in Russ.).
[7] Mustafayev J.S. Environmental rationale for land reclamation. Saarbrucken, 2016. 375 p. (in Russ.).
[8] Kireicheva L.V., Kozykeyeva A.T., Dauletby S.D. Complex arrangement of the Shu River. Saarbrucken, 2016. 140 p. (in Russ.).
[9] Mustafayev Zh.S., Kozykeyeva A.T., Kamaliyev A.M. Climate changes in the basin of the transboundary Shu river // News of the National academy of sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of agricultural sciences. 2019. Vol. 5, N 53. P. 104-112.
[10] Mustafayev Zh.S., Kozykeyeva AT, Kamaliev A.M. Climate change in the basin of the transboundary river Shu // Actual problems of Earth. Science research cross-border regions. Brest: BrSU named after A.S. Pushkin, 2019. Part 1. P. 226-229 (in Russ.).
[11] Strengthened norms of water demand for irrigation in the climatic zones of the USSR. M., 1984. 346 p. (in Russ.).
[12] Ibatullin S.R., Kwan R.A., Paramonov A.I., Balgabaev N.N. Rationing of irrigation in water basins of Kazakhstan. Taraz, 2008. 122 p. (in Russ.).
[13] Mustafayev Zh.S., Ryabtsev A.D. Adaptively-landscape land reclamation in Kazakhstan. Taraz: BIGNEO Service, 2012. 528 p. (in Russ.).
Ж. С. М^стафаев1, Э. Т. ^озыкеева2, А. М. Камалиев3
1 Техника гылымдарыныц докторы, профессор, «Су ресурстары жэне мелиорация» кафедрасыньщ профессоры (Казак ^лттык аграрлык университетi, Алматы, Казахстан)
2Техника гылымдарыныц докторы, доцент, «Су ресурстары жэне мелиорация» кафедрасыныц профессоры (Казак ^лттык аграрлык университетi, Алматы, Казакстан) 3Магистр, «Су ресурстары жэне мелиорация» кафедрасыныц PhD докторанты (Казак ^лттык аграрлык университет^ Алматы, Казакстан)
ШУ 6ЗЕННЩ СУЖИНАУ АЛАБЫНЫЦ АЙМАГЫНДАГЫ АУЫЛШАРУАШЫЛЬЩ ЖЕРЛЕРДЩ СУДЫ Т¥ТЫНУ ШАМАСЫН БАГАЛАУ
Аннотация. «Кыргызгидромет» (Кыргызстан Республикасы) жэне «Казакгидромет» (Республика Казак-стан) мекемелершщ Шу взенiнiц сужинау алабына орналаскан метеорологиялык бекттердiц 1930-2017 жыл-дар аралыгын камтитын квпжылдык акпараттык-талдау мэлiметтерiнiц негiзiнде, климаттыц взгеруiн ескере-тш орташа айлык ауа жылуыныц жэне атмосфералык жауын-шашынныц сандык мэнiн пайдалана отырып, ауылшаруашылык дакылдар жетiспейтiн биологиялык суды тугыну Op жэне жерлердщ экологиялык суды
тугыну (оэ.) шамасын аныктауга арналган багдарламалар орындалган. Оныц сандык мэндерi таулы аймактан
pi
жазыктык аймактарга карай 2050 жылга дейiн 8,0 ден 27,0 % дейцн всуi мYмкiн.
ТYЙiн свздер: климат, сужинау, взен, бассейн, взгеру, багалау, ауа температурасы, атмосфералык жауын-шашын, табиги ылгалдану кврсеткiшi, гидротермикалык кврсетшш, су тугыну жетiспеушiлiгi, экологиялык норма, ауылшаруашылык дакыл, егiстiк.
Zh. S. Mustafayev1, A. T. Kozykeyeva2, A. M. Kamaliev3
1Doctor of technical sciences, professor, professor of the department «Water Resources and Land Reclamation» (Kazakh National Agrarian University, Almaty, Kazakhstan)
2Doctor of technical sciences, associate professor, professor of the department «Water Resources and Land Reclamation» (Kazakh National Agrarian University, Almaty, Kazakhstan) 3Master, PhD doctoral candidate «Water Resources and Land Reclamation» (Kazakh National Agrarian University, Almaty, Kazakhstan)
ASSESSMENT OF WATER DEMAND FOR AGRICULTURAL AREAS OF WATER DRAINAGE OF THE SHU RIVER BASIN
Abstract. Based on the long-term information and analytical materials «Kyrgyzhydromet» (the Kyrgyz Republic) and «Kazhydromet» (the Republic of Kazakhstan), covering 1930-2017, prediction is made the shortage of water
demand of crops Op and ecological water demand of land (o3.), taking into account climate change in the catchment
pi
areas of the Shu River basin at the spatio-temporal scale. It is expected that their quantitative values increase from 8.0 to 27.0% of the mountain territory towards the plain.
Keywords: climate, catchment, river, basin, change, assessment, air temperature, precipitation, coefficient of natural moisture, hydrothermal indicator, water consumption deficit, environmental norm, agricultural crop, land.
