Статья: Теоретическое обоснование совершенствования эксплуатации оросительных систем

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(31), 2018 г., [23-38]

Теоретическое обоснование совершенствования эксплуатации оросительных систем

М.В. Власов, М.С. Васильев,

С.М. Григоров

Аннотации

Цель исследования - разработка и обоснование предложений по совершенствованию эксплуатации оросительных систем на основе определения эффективности орошения непосредственно через повышение плодородия земель, с учетом эксплуатационных затрат. Для достижения поставленной цели была получена зависимость продуктивности почв от их увлажнения. Предложено мерой эффективности мелиорации считать повышение продуктивности земель от исходного состояния - без орошения, осушения и осуществления других мелиораций - до улучшенного по степени увлажненности, по плодородию почв в результате нового стимулирования сельхозтоваропроизводителями почвообразовательного процесса. На основании статистических данных о продуктивности земель по стране, усредненных за 2015-2017 гг., и о бонитете земель по существующей балльной системе было получено уравнение, которое с 99% -й точностью аппроксимирует зависимость урожайности зерновых культур от бонитета почвенного покрова. Разработана модель расчета эффективности орошения, зависящей от продуктивности мелиорированных земель, как потенциальной, так и существующей, коэффициентов работоспособности оросительной системы и земельного использования, а также учитывающей эксплуатационные затраты и коэффициент полезного действия оросительной системы. Предложено выражение, описывающее эксплуатационную работоспособность системы в зависимости от обеспеченности кадрами, механизмами, транспортом, вспомогательными сооружениями, материалами и приборами. В результате проведенных исследований определен ряд показателей технического уровня оросительных систем и сформулированы предложения по обеспечению необходимой эксплуатационной работоспособности оросительных систем.

Ключевые слова: оросительные системы, эксплуатация оросительных систем, работоспособность оросительных систем, надежность оросительных систем, продуктивность мелиорируемых земель, бонитет почвенного покрова.

The purpose of the research is the development and justification of proposals on improvement of irrigation systems operation on the basis of determining the irrigation efficiency directly through increasing the fertility of land taking into account the operation costs. To achieve this goal the dependence of soil productivity on their moistening was obtained. The measure of land reclamation effectiveness is considered to be the increase in land productivity from the initial condition - without irrigation, drainage and other reclamations - to the improved one by the humidification degree and by soil fertility as a result of new stimulation of the soil-forming process by agricultural producers. The equation that approximates the dependence of the grain crops yield on the soil cover bonitet with 99% accuracy was obtained based on the statistical data on land productivity in the country averaged over 2015-2017 and on the soil cover bonitet according to the existing points system. The model for calculating the irrigation efficiency depending on irrigated lands productivity, both potential and existing, the efficiency coefficients of the irrigation system and land use and also taking into account the operation costs and the performance efficiency of the irrigation system was developed. The formula describing the operational efficiency of the system depending on the availability of personnel, mechanisms, transport, auxiliary facilities, materials and instruments is proposed. As a result of the conducted research a number of indicators of the irrigation systems engineering level were determined and the proposals to ensure the necessary operational efficiency of irrigation systems were formulated.

Key words: irrigation systems, irrigation systems operation, irrigation system operational efficiency, irrigation systems reliability, irrigated lands productivity, soil cover bonitet.

оросительная система эксплуатация

Основное содержание исследования

Введение. Мелиорация земель в целом до настоящего времени не имеет своего критерия оценки, которая осуществляется косвенно через результаты деятельности сельхозтоваропроизводителей. Между тем мелиорация, а значит, и система эксплуатационных мероприятий по поддержанию определенных оптимальных условий для развития растений, т.е. по повышению плодородия земель от естественного состояния до вновь созданного оросительными и осушительными сооружениями, должна быть оценена именно по изменению этого плодородия в стоимостном выражении.

Поэтому мерой эффективности мелиорации может быть повышение продуктивности земель от исходного состояния - без орошения, осушения и осуществления других мелиораций - до улучшенного по степени увлажненности, по плодородию почв в результате нового стимулирования сельхозтоваропроизводителями почвообразовательного процесса. Создается возможность оценки эффективности мелиораций не только водных (повышающих водообеспеченность в засушливой зоне или снижающих переувлажнение в гумидной зоне), но и химических, опреснительных и др.

Цель данного исследования заключалась в разработке и обосновании предложений по совершенствованию эксплуатации оросительных систем на основе определения эффективности орошения непосредственно через повышение плодородия земель, с учетом эксплуатационных затрат.

Материалы и методы. Для определения влияния увлажнения на продуктивность модифицируем зависимости, предложенные В.Д. Скалабаном [1, 2], с учетом оценок В.А. Кулыгина, Л.М. Докучаевой, Д.А. Осипенко [3] и анализа, проведенного В.Э. Юшковой [4]:

,

где - продуктивность почв в зависимости от влажности, кДж/ (км²•год);

- продуктивность, соответствующая нормальной влажности, кДж/ (км²•год);

W - текущая влажность, %;

- влажность завядания, %;

- предельная полевая влагоемкость, %.

Результаты и обсуждение. При анализе данных о продуктивности земель без орошения и орошаемых земель по стране, усредненных за 2015-2017 гг. [5-7], и о бонитете земель по балльной системе [8, 9] установлена связь (рисунок 1), которая характеризуется коэффициентом достоверности аппроксимации = 0,9908:

,

где - бонитет почвенного покрова по указанной классификации [8, 9].

По мере изменения технической оснащенности сельскохозяйственного производства продуктивность будет, очевидно, наращиваться, приближаясь к потенциальной, и этот рост может быть соответствующим образом спрогнозирован по полученному тренду.

Рисунок 1 - Продуктивность земель в 2015-2017 гг. в зависимости от бонитета почвенного покрова

Следует иметь в виду, что соотношение между потенциальной продуктивностью и максимальной, реальной для нынешнего уровня сельскохозяйственного производства определяется именно прогрессом в этой области, а достижение его - соблюдением технологического цикла растениеводства и работоспособностью мелиоративной системы. Если отбросить влияние аграрной технологии, то переход от максимальной продуктивности и влагообеспеченности земель, достигаемой при мелиорации, к реальной осуществляется путем введения коэффициента работоспособности оросительной системы , характеризующего долговечность и надежность поддержания оптимальных условий в поле функционированием и эксплуатацией оросительной системы [10].

В этом случае эффективность орошения будет определяться как

,

где - эффективность орошения, руб. /га;

- потенциальная продуктивность мелиорированных земель, руб. /га;

- коэффициент работоспособности оросительной системы;

- продуктивность немелиорированных земель, руб. /га;

- коэффициент земельного использования;

- увеличение издержек сельскохозяйственного производства, руб. /га;

- приведенные основные водохозяйственные фонды, руб. /га;

- эксплуатационные затраты, руб. /га;

- оросительная норма нетто, м³/га;

- КПД системы;

- стоимость подачи воды с учетом формирования водного ресурса, руб. /м³.

Такой подход позволяет:

установить эффективность мелиорации непосредственно, а не через сельское хозяйство;

выявить для каждой зоны предел сельскохозяйственного использования земель (в виде потенциальной продуктивности), к которому должны стремиться сельхозтоваропроизводители как к мере ответственности за использование мелиорируемых земель;

соизмерить допустимый размер капиталовложений и эксплуатационных затрат на мелиорацию в зависимости от "ножниц" потенциальной и фактической продуктивности земель в настоящее время , приведенных на рисунке 2 для различных зон и природных условий.

Исходя из предлагаемой концепции, цели эксплуатации оросительной системы будут состоять в обеспечении высокой и постоянной работоспособности системы при минимальных удельных затратах воды и минимальных эксплуатационных стоимостных затратах .

1 - потенциальная продуктивность земель;

2 - технологически возможная продуктивность земель

Рисунок 2 - Нарастание продуктивности земель при мелиорации

С целью осуществления единой бонитировки мелиорированных и мелиорируемых земель необходимо:

разработать, согласовать с Минсельхозом и Росреестром "Указания по единой мелиоративной бонитировке земель";

провести инвентаризацию и составить кадастр всех оросительных систем страны с целью выявления показателей их работоспособности, расходов воды и возможности использования потенциальной продуктивности орошаемых земель;

наметить различные мероприятия по повышению продуктивности орошаемых земель до оптимально приближенной по экономическим критериям к потенциальной;

установить региональные и зональные лимиты инвестиций, эксплуатационных затрат при соответствующих показателях работоспособности и расходов воды, исходя из "ножниц": потенциальная продуктивность орошаемых земель - исходная продуктивность неорошаемых земель.

Исходя из приведенных выше соображений, управление работоспособностью и требования к ее поддержанию должны быть различными в зависимости от степени повышения продуктивности земель при мелиорации, от дефицита водных ресурсов и от необходимых при этом затрат.

Ясно, что в недефицитных по воде бассейнах и достаточно водообеспеченных оросительных системах с низкой стоимостью формирования водных ресурсов при достаточно высокой продуктивности орошения можно сознательно идти на повышение работоспособности системы за счет увеличения удельных расходов воды. В водообеспеченных районах, но при малом увеличении продуктивности можно, опираясь на модель оптимизации, согласиться с некоторым снижением урожайности за счет снижения работоспособности оросительной системы. Наконец, в маловодообеспеченных районах с высоким приростом продуктивности при орошении обязательно повышение работоспособности оросительных систем посредством совершенствования увязки конструктивных элементов и повышенных требований к эксплуатационной работоспособности систем.

Указанный подход позволит установить следующие показатели технического уровня оросительных систем.

Удельные расчетные затраты воды на орошение:

,

где - промывная доля, %.

Степень работоспособности системы ().

Суммарные расчетные затраты воды на орошение:

.

Фактические затраты воды на орошение:

,

где - общие затраты воды, м³/га;

- площадь орошения, га;

- водозабор поверхностных вод, м³;

- водозабор из дополнительных источников, м³;

- водозабор из внутрисистемных водохранилищ, м³;

- водозабор из коллекторно-дренажной сети, м³.

Коэффициент использования воды:

.

Если , использование воды рациональное для данных условий и уровня систем; если же , имеет место явно нерациональное использование воды.

Степень использования потенциальной продуктивности земли:

.

Если , то орошаемые земли используются эффективно.

Показатель мелиоративного режима:

,

где - глубина грунтовых вод, м;

- высота капиллярного поднятия, м;

- глубина корневой системы, м.

Эксплуатационные затраты по оросительной системе на 1 га (руб. /га).

Затраты труда на эксплуатацию оросительной системы (чел. - дн. /га).

При составлении кадастра оросительных систем и их инвентаризации необходимо производить оценку по всем этим показателям, что позволит не только установить существующие характеристики оросительных систем, но и оценить перспективы, необходимость и возможность их совершенствования на данном техническом и экономическом уровне на основе модели оптимизации оросительных систем.

Работоспособность системы предусматривается уже при проектировании и строительстве и поддерживается в процессе эксплуатации. Эксплуатационная работоспособность определяется обеспеченностью кадрами , механизмами , транспортом , вспомогательными сооружениями , материалами и приборами .

Если количество обеспечивающего элемента не является оптимальным, то снижается работоспособность каждого конструктивного элемента, а следовательно и суммарная средняя эксплуатационная работоспособность оросительной системы.

Эта зависимость может быть выражена как

,

где - суммарное количество конструктивных элементов;

- матричные коэффициенты для соответствующих конструктивных элементов.

Величина матричного коэффициента для каждого конструктивного элемента может определяться экспериментально или по какому-либо известному закону.

Другим фактором, определяющим эксплуатационную работоспособность, является старение конструктивных элементов систем, снижение их эксплуатационных свойств вследствие износа, ухудшения свойств материалов, осадков, взаимодействия с потоком, заиления, зарастания и многих других причин. Поддержание работоспособности при этом на стабильном уровне, недопущение ее снижения требует специально организованной системы технического обслуживания, профилактических и аварийных ремонтов.