ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫВКИ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Мустафаев Ж.С.¹, Кирейчева Л.В.², Козыкеева А.Т.³, Абдешев К.Б.⁴

¹ доктор технических наук, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы; ²доктор технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова; ³ доктор технических наук, Таразский  государственный университет им. М.Х. Дулати, г. Тараз, Казахстан; ⁴ докторант PhD, Таразский  государственный университет им. М.Х. Дулати, г. Тараз, Казахстан

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫВКИ  ЗАСОЛЕННЫХ  ПОЧВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Аннотация

  Дано экологическое обоснование поэтапной технологии промывки засоленных земель с необходимой временной цикличностью, основанное на соответствии интенсивности подачи вода и впитывающей способности почв, что позволяет сопрягать природные процессы с антропогенными, не вызывая деградации природного объекта. Предложена модель рассоления почвы и экологически приемлемая технология промывки засоленных почв.

Ключевые слова: почва, засоление, промывка,  безопасная технология, впитывание, фильтрация

MustafaevJ.S.¹,KireychevaL.V.², Kosykeeva A.T.³, Abdeshev K.B.⁴

¹ PhD in Engineering, Kazakh National Agrarian University, Almaty; ² PhD in Engineering, All-Russian Research Institute for Hydraulic Engineering and Reclamation named after A.N. Kostyakov; ³ PhD in Engineering, Taraz State University named after M.H. Dulaty, Taraz, Kazakhstan; ⁴ doctoral candidate, Taraz State University named after M.H. Dulaty, Taraz, Kazakhstan

ENVIRONMENTAL IMPACT STATEMENT OF THE TECHNIQUE ON LEACHING OF SALINE LANDS ON THE BASE OF THE NATURAL PROCESSES SIMULATION

Abstract

Environmental impact statement of the stage-by-stage technique on leaching of saline landsincluding the required time cycling on the base of matching between moisture absorption capacity of soil and water supply intensity is given. This technique provides conjoining of natural and anthropogenic processes without causing the degradation of the natural object. Model of soil desalinization and environmentally acceptable technique onleaching of saline soils are proposed.

Keywords: soil, salinization, leaching, safe technique, moisture absorption, filtration

Введение. Широкое распространение засоленных почв и необходимость при их освоении значительных затрат природных водных ресурсов на капитальные промывки требует изучения механизма процесса солеотдачи, совершенствования технологии промывок и методов расчетов промывных норм, обеспечивающих экономное расходование воды и минимизацию экологических рисков. Обоснование необходимости проведения промывки засоленных земель и расчет промывных норм строятся на двух существенно различных позициях: эмпирической, основанной на обобщении большого фактического материала экспериментальных исследований, и теоретической с использованием законов термодинамики. Такое положение обусловливается тем, что засоление и рассоление орошаемых земель представляют собой многофакторные разнонаправленные процессы, теоретическое описание которых достаточно сложно, а получение необходимого эмпирического материала требует длительных исследований и значительного труда. Для установления направленности и интенсивности процессов «рассоления-засоления» возможно использование метода моделирования, основанного на кинетике физико-химических процессов, происходящих в почве при взаимодействии почвенного раствора и твердой фазы почвы с природной водой. Цель исследования состоит в разработке модели рассоления почвы и экологически приелемой технологии промывки засоленных почв,  при которой интенсивность промывки совпадает со скоростью впитывания воды в почву.

Методика исследования. Теоретическое обоснование безопасной технологии промывки засоленных почв базируется на модели эволюционного гидрогеохимического процесса природной системы, описывающей массоперенос в осадочных формациях в течение некоторого времени определенной порцией инфильтрирующихся вод (). При этом из почвенного слоя выносится часть растворенных солей () пропорциональная их количеству в твердой фазе (S), то есть ,  где - коэффициент солеотдачи. Определение коэффициента солеотдачи устанавливается экспериментальным путем в зависимости от фильтрационных характеристик почвы, гранулометрического состава, типа и степени ее засоления.

Результаты исследования и обсуждение. Как известно,  интенсивность  рассоления почв при промывках можно усилить за счет изменения скорости инфильтрационного потока воды  путем изменения объема подачи воды за один такт промывки. Это положение подтверждается результатами исследований, проведенных на засоленных почвах Алматинской и Жамбылской областей Казахстана[2-4]. Коэффициент солеотдачи рассчитан по формуле В.Р.Волобуева [1]: M=10000*α*lg(S₁-S₂), где М- промывная норма,; α -коэффициент солеотдачи, S₁ и S₂ –исходное и остаточное содержание легкорастворимых солей в метровом слое,% (таблица 1).

Таблица  1- Изменение солевого режима почв при различных схемах технологических промывок [2-4].

Из таблицы видно, что чем продолжительнее взаимодействие промывной воды с почвой, тем полнее достигается равновесие между концентрациями солей в почвенном растворе и фильтрате и тем больше промывная вода насыщается солями, в итоге солеотдача почвы увеличивается. Однако при подаче большого объема воды наступает несоответствие интенсивности подачи воды при промывке (): , с интенсивностью впитывания воды в почву (): , то есть  , причем во временном масштабе постоянно будет увеличиваться ( где  – расчетная промывная норма;  - продолжительность промывки; - коэффициент фильтрации;  - скорость впитывания в конце первого часа;  - коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств почвы). Практика и опыт освоения засоленных земель свидетельствуют о необходимости гибкого подхода к обоснованию технологии промывки с соблюдением принципов сбалансированного использования водных ресурсов.

В настоящее время для гидрогеохимических процессов в перераспределении масс и выщелачивании солей природных систем принимаются уравнения физико-химической гидродинамики, кинетики химических реакций [5-7]. Теоретический анализ, проведенный Ж.С. Мустафаевым, показал, что аналитическое решение вышеуказанных уравнений имеет генетическое сходство и является одной из модификации формулы В.Р. Волобуева [1]: , где  – продолжительность инфильтрации.

Получена математическая модель, позволяющая установить размеры промывных норм, учитывающих динамику гидравлических процессов в почвогрунтах [5]: , где  - скорость растворения твердого вещества в процессе химической реакции между твердыми  и жидкими веществами: . Параметр  зависит от скорости растворения твердого вещества и химических реакций, ускоряющий солеотдачу почв при промывке и имеет смысл коэффициента ускорения солеотдачи. В этой связи базой для разработки ресурсосберегающих и экологических безопасных технологий промывки почв должны стать свойства (, ) и показатели закономерности эволюционного гидрогеохимического процесса в почве (, ).  Для выявления количественной связи солеотдачи почвы со скоростью фильтрации приведем результаты обработки данных экспериментальных промывок [7], проведенных на монолитах (таблица 2).

Таблица 2 - Зависимость коэффициента солеотдачи от коэффициента растворения и скорости инфильтрационного потока

Как видно из таблицы 2, непременным условием снижения затрат воды на вынос солей из мелиорируемой толщи является снижение потока воды в пористой среде путем изменения технологии полива. Это вполне достижимо при изменении режима промывок путем изменения объемов воды за один такт и продолжительности межполивных периодов. Максимальная интенсивность выноса солей из промываемой толщи достигается при скорости фильтрации промывных вод менее 0,02 м/сут.

Математическое моделирование позволяет качественно оценить направленность трансформации гидрогеохимического процесса при промывке и составить необходимый прогноз. Разработан алгоритм прогнозирования, позволяющий на каждом этапе промывки определить экологически допустимую техногенную нагрузку на природную систему (таблица 3).

Таблица 3 - Алгоритм прогнозирования выщелачивания солей и определения параметров их  технологии промывки засоленных земель

На основе экспериментальных данных  или уравнения: ,  можно построить график зависимости , характеризующих скорости впитывания воды в почву  (рисунок 1). На начальном этапе скорость впитывания будет достаточно большой, а после насыщения почвы влагой скорость впитывания приравнивается к скорости фильтрации, что дает основание разбить промывку на несколько этапов.

Для каждого этапа рассчитывается средная скорость впитывания воды в почву () и умножив ее на продолжительность  ()  можно определить величину промывной нормы каждого этапа ().

Рисунок 1 – Скорость впитывания воды в почву

Величина всей нормы промывки устанавливается  по формуле: .

 Выводы. Таким образом, предложена технология промывки засоленных почв, в основу которой положено соотношение скоростей подачи воды со скоростью впитывания ее в почву, что не нарушает закономерности природных эволюционных процессов благодаря дозированию техногенных нагрузок.

Литература

1. Волобуев В.Р. О закономерности выщелачивания солей из почвы // Гидротехника и мелиорация. 1983,№7.- с. 66-68.
2. Мустафаев Ж.С., Сагаев А.А., Умирзаков С.И., Ахметов Н.Х., Шегенбаев А.Т., Калманова Г. Экологическое обоснование технологических принципов промывки засоленных почв // Наука и образование Южного Казахстана, 2001. - №26.- С. 89-92.
3. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Калманова Г. Экологическое обоснование технологии промывки засоленных земель // Проблемы экологии АПК и охрана окружающей среды / Материалы 4-й Международной научной конференции.- Щучинск, 2002.- С. 235-237.
4. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Калманова Г. Экологическое обоснование технологии промывки засоленных почв на основе «мягкого» управления природными процессами // Наука и образование Южного Казахстана, 2002. - №30.- С. 186-189.
5. Мустафаев Ж.С. Физико-математическое моделирование процесса выщелачивания солей из почвы // Плодородие почв Казахстана, вып. 2, Алматы: Наука. 1986. - с. 64-72.
6. Мироненко Е.В., Пачепский А.Н., Понизовский А.А. Моделирование масообмена фаз почв на основе термодинамических уравнений физико-химических равновесий// Материалы по математическому обеспечению ЭВМ, Пущино,1981,вып. 5. с. 51.
7. Мустафаев Ж.С. Почвенно-экологическое обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель в Казахстане.- Алматы: Гылым, 1997. – 358 с.

References

1. Volobuev V.R. O zakonomernosti vyshhelachivanija solej iz pochvy // Gid-rotehnika i melioracija. 1983,№7.- s. 66-68.
2. Mustafaev Zh.S., Sagaev A.A., Umirzakov S.I., Ahmetov N.H., Shegenbaev A.T., Kalmanova G. Jekologicheskoe obosnovanie tehnologicheskih prin-cipov promyvki zasolennyh pochv // Nauka i obrazovanie Juzhnogo Kazah-stana, 2001. - №26.- S. 89-92.
3. Mustafaev Zh.S., Kozykeeva A.T., Kalmanova G. Jekologicheskoe obosnova-nie tehnologii promyvki zasolennyh zemel' // Problemy jekologii APK i ohrana okruzhajushhej sredy / Materialy 4-j Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii.- Shhuchinsk, 2002.- S. 235-237.
4. Mustafaev Zh.S., Kozykeeva A.T., Kalmanova G. Jekologicheskoe obosnova-nie tehnologii promyvki zasolennyh pochv na osnove «mjagkogo» uprav-lenija prirodnymi processami // Nauka i obrazovanie Juzhnogo Kazah-stana, 2002. - №30.- S. 186-189.
5. Mustafaev Zh.S. Fiziko-matematicheskoe modelirovanie processa vyshhe-lachivanija solej iz pochvy // Plodorodie pochv Kazahstana, vyp. 2, Alma-ty: Nauka. 1986. - s. 64-72.
6. Mironenko E.V., Pachepskij A.N., Ponizovskij A.A. Modelirovanie mas-soobmena faz pochv na osnove termodinamicheskih uravnenij fiziko-himicheskih ravnovesij// Materialy po matematicheskomu obespecheniju JeVM, Pushhino,1981,vyp. 5. s. 51.
7. Mustafaev Zh.S. Pochvenno-jekologicheskoe obosnovanie melioracii sel'-skohozjaj-stvennyh zemel' v Kazahstane.- Almaty: Gylym, 1997. – 358 s.