Використання інформаційних технологій для управління якістю поливної води, підвищення родючості грунтів і охорони ландшафту на прикладі інгулецького зрошуваного масиву

(у співавторстві з канд. с.-г. наук Волочнюком Є.Г.)

5.1. Обґрунтування, мета і задачі роботи

Основною екологічною проблемою на Інгулецькій зрошувальній системі є постійне погіршення якості поливної води. Річка Інгулець надзвичайно забруднена іонами хлору, натрію та іншими шкідливими речовинами, вміст яких перевищує допустимі норми у 3-5 і більше разів. Рік у рік простежується їх зростання. Останніми роками водозабір до системи скоротився, що у поєднанні зі зменшенням строків функціонування системи ускладнює ситуацію по формуванню якості зрошувальної води. Так, збільшилася частка води р. Інгулець при формуванні поливної води, затягуються строки проведення відкачок мінералізованої води із ділянки річки ГНС-гирло, підвищилася залежність якості поливної води від річкового стоку.

Скидання забруднених вод до річки Інгулець у більшому ступені впливають на поливну воду, підвищують мінералізацію, збільшують в неї частку токсичних іонів (натрію і хлору). Проведення іригаційних поливів такою водою викликає розвиток деграційних процесів ґрунтів на масиві. Родючість чорноземів південних і темно-каштанових ґрунтів в зоні Інгулецького зрошуваного масиву (ІЗМ) знижується. Однією із головних причин тому є тривале зрошення водою незадовільної якості. Більшість поливів проводиться водою, що викликає вторинне засолення та осолонцювання ґрунтів, негативно впливає на розвиток сільськогосподарських культур. Ґрунти масиву потребують проведення ландшафтно-меліоративних і агромеліоративних заходів із-за фізичної та хімічної деградації.

Зі збільшенням частки інгулецької води якість поливної води більше залежить від короткочасних коливань її якісних показників. При проведенні організаційних заходів потрібно зменшити таку впливовість. Виникає потрібність у системному підході щодо покращення якості поливної води та її впливу на зрошувані ґрунти шляхом поєднання всіх заходів у єдиний ландшафтно-меліоративний комплекс, який повинен забезпечувати покращення якості зрошувальної води на всьому шляху її формування – від джерела зрошення до моменту подачі її у грунт. Для вирішення цієї задачі необхідна розробка системи управління режиму роботи ГНС, яке повинно проводитися на двох рівнях. Перший – локальний. При зміні якісних характеристик змінювати кількість одночасно працюючих насосних агрегатів. Другий – на рівні басейну р. Інгулець, за допомогою жорсткого регулювання скидів до річки забруднюючих речовин, попусків із водосховищ. Такі заходи дозволять поліпшити якість стоку Інгульця та зменшити його варіабельність ще до водозабору в Інгулецьку зрошувальну систему.

Мета досліджень полягає в розробці ресурсозберігаючої, екологічно-безпечної технології підвищення продуктивності зрошуваних підтоплених ландшафтів Інгулецького масиву.

Задачі досліджень:

- в процесі формування геоінформаційниої системи з управління якістю поливної води Інгулецького масиву створити відповідну базу даних;

- вивчити особливості формування якості води в р. Інгулець та магістральному каналі;

- розробити моделі прогнозування показників якості поливної води;

- розробити і впровадити технології управління формуванням якості зрошувальної води та покращення меліоративного стану підтоплених агроландшафтів для підвищення їх продуктивності.

Об’єкт досліджень є процес управління якістю поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві при різних умовах її формування.

Предмет досліджень - умови, фактори і режими формування якості поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві.

Методи досліджень. При виконанні роботи використовували польові, лабораторні, модельні, аналітичні, теоретичні методи досліджень, методи системного, дисперсійного багатофакторного, кореляційного аналізів та математичного моделювання.

Матеріали досліджень. В роботі використані дані проблемної науково-дослідної лабораторії еколого-меліоративного моніторингу ХДАУ, Херсонського обласного виробничого управління меліорації та водного господарства, Управління каналом Інгулецької зрошувальної системи (ІЗС), Інституту землеробства південного регіону УААН.

Практичне значення роботи. Розроблений комплексний системний підхід до поліпшення якості поливної води ІЗС (в системі еколого-меліоративного моніторингу якості води системи) для впровадження у гідромеліоративну практику з метою сприяння покращенню еколого-меліоративного стану зрошуваних ландшафтів і підвищення родючості ґрунтів Інгулецького масиву України.

 

5.2. Теоретико-методологічні аспекти формування якості поливної води Інгулецької зрошувальної системи

Серед ґрунтів Півдня України переважають чорноземи південні та темно-каштанові ґрунти легко-, середньо- та важкосуглинкового механічного складу, особливістю яких є виражена фізична солонцеватість при незначному вмісті обмінного натрію (Усов Н.І., 1948, Садовніков І.Ф., 1952, Семенова-Забродіна С.П., 1952, Лозовіцький П.С., 1992, 1993). Солонцеві ґрунти характеризуються низькою насиченістю кальцієм, тому вони поглинають його із розчинів нейтральних солей (Соколовський А.Н., 1921, Грінченко А.М., 1946).

Якість поливної води на ІЗС формується шляхом змішування вод річок Дніпро та Інгулець (рис.5.1). Вона залежить від процентного співвідношення їх витрат, на яке впливають стік р. Інгульця, режим роботи головних насосних станцій (ГНС) Інгулецької та Явкінської і кліматичні умови (атмосферні опади, дефіцит вологості тощо), промислові та комунальні скиди. Річка Інгулець використовується для транзитного пропуску високомінералізованих вод Криворізького гірничорудного басейну (КГРБ), мінералізація її води в лютому-березні сягає 4,7–6,7 г/л із вмістом натрію 57,4–74,3 % від суми катіонів, хлору – 35,0–72,4 % від суми аніонів. Весною з метою очищення русла річки та підготовки його до зрошувального сезону проводиться санітарна промивка русла на ділянці Кривий Ріг - гирло р. Інгулець водою водосховищ КГРБ (рис.5.2). Це знижує мінералізацію річкової води в квітні до 0,6-1,2 г/л, зменшуються концентрації іонів хлору в 2,5-10 разів, сульфатів – в 2-2,5 рази, частки іонів натрію від суми кальцію та магнію до 53,1-63,6 %.

Рис.5.1 Схема формування якості поливної води на ІЗС

 

Рис.5.2 Схема еколого-меліоративного моніторингу басейну р. Інгулець

Згідно проекту ІЗС, в Інгулецький магістральний канал (ІМК) подається змішана дніпровська та інгулецька вода у співвідношенні 75-80 % та 20-25 % відповідно. Фактично для зрошення подається вода зі значно більшою часткою р. Інгулець. Постійно поливна вода вміщувала значну кількість хлоридів та натрію.

У теперішній час вміст хлоридів та загальної мінералізації зрошувальної води перевищує проектне у 2,0-3,0 рази. Якість води в ІЗС залежить від ступеню змішування вод річок, від гідрохімічного режиму і водного балансу джерела – донора (р. Інгулець) та гідрологічного режиму ІМК.

Доцільне припущення, що регулювання якості поливної води на Інгулецькому зрошуваному масиві (ІЗМ) можливо досягти на макро (басейнове регулювання стоку р. Інгулець) та мікрорівнях (режим роботи головних насосних станцій). Ландшафтний підхід до меліорації ґрунтів ІЗМ через покращення якості поливної води в умовах ІЗС за рахунок регулювання режиму роботи ГНС вперше висловили
к. с.-г. н. Морозов В.В. та к. т. н. Нежлукченко В.М. (1988).

В перші десятиріччя експлуатації ІЗС працювала в умовах гарантованого енергопостачання, а методи управління зрошенням були зорієнтовані на водозабір та водорозподіл на основі сезонних планів водокористування, розроблених для середньопосушливого року 75 % забезпеченості. Сучасна концепція екологічно-безпечних меліорацій включає високу культуру землеробства, адаптивність агромеліоративних заходів для конкретних агроландшафтів, подальшого впровадження регіонального та національного еколого-меліоративного моніторингу земель (Медведєв В.В., 1992, Коваленко П.І., Жовтоног О.І., 1999, 2001, Драчинська Е.С., Блохіна Н.М., Шевченко А.М., 1996, Морозов В.В, 2002). Концепція враховує особливості функціонування природно-агромеліоративної системи на кожному із її ієрархічних рівнів: агрокультурному, господарському та агроландшафтному (міжсистемному). Для реалізації зазначених принципів та вимог на ІЗМ необхідне удосконалення існуючих методів планування та функціонування, до яких належать розвиток основ управління, визначення та формування бази нормативних параметрів різних умов функціонування водогосподарського комплексу, коригування параметрів моделей природних комплексів та стратегії функціонування водогосподарського комплексу, поширення та удосконалення інформаційної бази планування функціонування зрошувальної системи (Моисеев Н.Н., 1987, Михеев Е.К., 1995, Ушкаренко В.О., Міхеєв Є.К., 1999, 2001).

5.3. Об’єкт, умови і методика досліджень

Дослідження проведені в умовах Інгулецького зрошуваного масиву, який розташований на території Миколаївської і Херсонської області та займає площу 122077 га. Окрім подачі води на зрошувані землі, за допомогою мережі каналів заповнюються водойми, що побудовані для водопостачання та обводнення підлеглої території. Основним накопичувачем води є Жовтневе водосховище з регулюючою ємністю 25 млн. м³, яке знаходиться у хвостовій частині зрошувальної системи та служить джерелом для водопостачання і комунальних потреб м. Миколаєва. Територія між Дніпром та Південним Бугом являє собою майже горизонтальну водорозподільну степову рівнину із слабко розвинутою гідрографічною мережею. Балки зустрічаються відносно рідко, вони неглибокі, особливо у верхів’ях. У ґрунтовому покритті переважають темно-каштанові та каштанові ґрунти, в північній частині поширені південні чорноземи. Середньорічна сума атмосферних опадів на масиві змінюється від 439 мм на північному заході до 400 мм на південному сході. Більша частина опадів випадає у теплий період року, максимальна кількість - у червні. Зона ІЗМ характеризується низькою відносною вологістю повітря. Середньорічне її значення незначно підвищується з південного сходу на північний захід від 70 % до 73 %.

Дослідженнями умов формування якості зрошувальної води охоплений період з 1973 по 2004 рік, а саме його ключові 1973, 1974, 1985, 1986, 1996-2004 роки. Найпосушливим відзначається 1996 р., коли забезпеченість атмосферними опадами становила 71% на рік, за вегетаційний період (під час роботи ГНС) - менше 81%. Найбільша кількість атмосферних опадів відмічалася у 1997, 1998, 2004 рр. Забезпеченість опадами у ці роки становила відповідно 1%, 20 та 12 %.

Вивчення формування хімічного складу води джерел зрошення ІЗС проводилась протягом 1996-2004 рр. Для порівняння враховувалися матеріали, отриманні відомчою лабораторією УК ІЗС та проблемної лабораторії еколого-меліоративного моніторингу ХДАУ. Спостереження і дослідження виконані відповідно загальноприйнятих методик (Доспехов Б.А., 1985, Аринушкина Е.В., 1970, Базилевич Н.И., Панкова Е.И., 1968 та ін.). При обробці одержаних даних використані методи математичної статистики, дисперсійний аналіз, методи кореляції і регресії (Ушкаренко В.О., 1978, Ушкаренко В.О., Скрипников А.Я., 1988 та ін.).

Математична обробка результатів дослідів виконувався методом дисперсійного та кореляційного аналізів за методиками Доспехова Б.А., 1979, Дмітрієва Е.А., 1972, Мармози А.Т., 1990 та інші. Розрахунки залежностей проводилися за допомогою ПЕОМ (програм пакетів Microsoft Office, Mathcad, Statistica та ін.). Проведення досліджень за роками різної забезпеченості опадами дозволили одержати об'єктивні різнопланові дані і зробити відповідні висновки щодо впливу кількості забору води до магістрального каналу на формування якості поливної води ІЗС, що в свою чергу впливає на гідрогеолого-меліоративний стан зрошуваних ґрунтів та урожайність сільськогосподарських культур.

 

5.4. Особливості формування якості води в річці Інгулець як джерелі зрошення

 

Під час вегетаційного періоду скидання сильно мінералізованих та забруднених вод Кривбасом значно скорочуються, що знижує мінералізацію у річковій воді до 2000 – 2800 мг/л із вмістом хлоридів 550–980 мг/л. Цього часу стічні води, в тому числі й шахтні, частково збираються у водоймах-накопичувачах, які спорожнюються після закінчення роботи ГНС.

Із-за 100 % зарегульованості стоку всі витрати р. Інгулець проходять скрізь штучні водойми. Тому кількість та якість стоку річки залежить від санітарних попусків, специфіки підприємств, що скидають забруднені стоки, забезпеченості атмосферними опадами або наповнення водосхо-вищ. Попуски у вегетаційний період викликають суттєву зміну гідрохіміч-них показників в р. Інгулець на ділянці Кривий Ріг – ГНС (рис. 5.3).

При зменшенні забезпеченості років атмосферними опадами вміст загальної кількості всіх іонів в річці підвищується. Більш всього змінюється вміст іонів хлору та натрію. За період із 1996 по 2004 рр. у маловодні роки середнє значення вмісту хлоридів протягом вегетаційного періоду у річковій воді становило11,27 мекв/л.

У багатоводні роки вміст хлоридів збільшився до 16,5-25,8 мекв/л. Вміст іонів натрію за період, що вивчався, збільшився від 12,4 у маловодні до 17,5-25,0 мекв/л у багатоводні роки.

Під час роботи ГНС витрати річки Інгулець значно менші за ті, що надаються до системи. Різниця доповнюється дніпровською водою, яка на протязі всього року відзначається доброю якістю та різко визначеним гідрокарбонатним складом (HCO₃^- - 60-90% мекв/л) при перевазі 60-82 мекв/л Ca²⁺. Коливання гідрохімічних показників у воді р. Дніпро досить незначне, мінералізація її рідко перевищує 0,45-0,50 г/л, хімічний

Рис. 5.3 Динаміка вмісту хлоридів у р. Інгулець за середніми декадними значеннями

склад - гідрокарбонатно-кальцієвий. Коливання гідрохімічних показників у воді р. Дніпро відносно сталі. Згідно розрахунків за вмістом іонів хлору багатоводні роки відмічено із найбільшими значеннями середнього – 1,61 мекв/л. Із зменшенням водності ці показники зменшуються. Динаміці хлоридів відповідає зміна показників вмісту іонів натрію. У багатоводні роки дорівнюється 0,98 мекв/л.

 

5.5. Еколого-меліоративні закономірності формування води в магістральному каналі Інгулецької зрошувальної системи

 

Гідрологічний режим Інгулецького магістрального каналу (ІМК). Подача води системою ведеться за планом водокористування із мінімізацією непродуктивних скидів. У характерні періоди 1973-1974, 1985-1986 рр. із розвитком зрошення, водопостачання м. Миколаєва та обводнення території Інгулецького масиву витрати до системи були постійно високими і тільки у 1985 році в зв’язку із випаданням 96,0 та 117,8 мм опадів у червні-липні ГНС було призупинено на 7 діб.

Останніми роками (із 1997 р.) витрати до системи скоротилися вдвічі порівняно із 1973-1996 рр., коли вони становили близько 30 м³/с. Дані по тривалості роботи ГНС та середніх витрат до системи за вегетаційний період у роки з різною забезпеченістю опадами зведено до табл.5.1.

Гідрохімічний режим Інгулецького магістрального каналу. У більшості випадків в МК не досягається заплановане співвідношення вод річок Інгулець і Дніпро, особливо останніми роками. У поєднанні з поступовим погіршенням природних поверхневих вод та збільшенням частки Інгульця у формуванні поливної води це стало причиною погіршення її якості у МК. Мінералізація поливної води в магістральному каналі у більшості випадків перевищує 1000 мг/л, а на початку чи в кінці вегетаційного періоду може досягати 2300-2700 мг/л.

Таблиця 5.1 - Час роботи та середні сезонні витрати ГНС за роки досліджень

Роки	Середні витрати за вегетаційний період, м^3/с	Тривалість роботи, днів	Забезпеченість атмосферними опадами, %
за вегетаційний період	за рік
	31,31
	30,50
	27,34
	34,44
	30,06
	15,14
	17,58
	17,69
	17,81
	16,30
	15,79
	14,92
	10,43

 

В процесі формування зрошувальної води у вегетаційний період виділяються три характерні періоди роботи ГНС. Перший - початок роботи системи, коли триває відкачка мінералізовані води на ділянці річки Інгулець від гирла до ГНС. Другий - період інтенсивного проведення поливів. Цього часу спостерігаються значні витрати до системи, що сприяє покращенню якості поливної води внаслідок зростання частки дніпровської. Третій - кінцевий період, коли зі зменшенням витрат до каналу збільшується частка води р. Інгулець в поливній та підвищується її загальна мінералізація. Останніми роками, навіть у періоди інтенсивного водозабору, мінералізація води в магістральному каналі рідко зменшується до позначок менш 1 г/л, а у більшості випадках її значення знаходяться у межах від 1 до 3 г/л. Згідно класифікації ДСТУ 2730-95 "Якість води для зрошення" за вмістом токсичних солей поливи такою водою можуть викликати вторинне засолення зрошуваних ґрунтів.

Для зниження мінералізації води у магістральному каналі потрібні більші витрати ніж ті, що існують сьогодні. Встановлено, що складність регулювання якості поливної води на ІЗМ полягає не тільки у регулюванні співвідношення часток інгулецької та дніпровської вод, але й у тому, що, у порівнянні з дніпровською, інгулецька вода досить мінлива за своїми меліоративними показниками. При однаковій кількості працюючих насосних агрегатів ГНС відмічено коливання мінералізації від 0,45 до 1,57 г/л.

Нестаціонарність якості води у р. Інгулець викликає значні зміни у якості зрошувальної води МК. Динаміка іонів Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ у воді МК відрізняється від річкових в залежності від режимів роботи ГНС. Відокремлюються роки після зниження витрат до системи (1997-2004 рр.). В цей період зросли середні значення вмісту іонів при збільшення їх коливань від середніх значень. Стандартне відхилення σ хлоридів збільшилося до 2,7-3,7 мекв/л. Коливання вмісту натрію дещо зменшилося (від 3,5-4,7 до 1,9-3,4 мекв/л)

Оцінка поливної води за меліоративними показниками. Внаслідок скорочення поливів та зменшення об’ємів води, що надавалася до МК, середня мінералізація поливної води зросла останніми роками до 1,1-1,6 г/л (рис.5.4).

Дослідженнями встановлено, що зі зниженням забезпеченості років атмосферними опадами погіршується якість поливної води. Це визначається зниженням потреби у воді користувачів із зростанням водності року, що в свою чергу викликає зменшення витрат до системи та збільшення частки р. Інгулець порівняно дніпровської у її формуванні. Із іншого боку у більш багатоводні роки збільшується стік річки, що також

Рис.5.4 Середня мінералізація води в Інгулецькому магістральному

каналі за період досліджень

 

впливає на зростання його частки у поливній воді. Мінералізація води в МК в свою чергу залежить від впливу всіх цих факторів.

Протягом часу проведення інтенсивних поливів, після закінчення відкачки забруднених вод із ділянки ГНС - гирло річки, мінералізація наближується до значень доброї якості при одночасній роботі 4 і рідко 3 насосних агрегатів ГНС. При довготривалій роботі 3 насосів загальна концентрація солей у поливній воді лише наближується до сприятливих значень і тільки при значних зменшеннях витрат або вмісту хлоридів у річці може визначатися за ДСТУ 2730-94 як вода доброї якості.

Динаміка іригаційних коефіцієнтів коефіцієнт іонного обміну, небезпечності осолонцювання ґрунтів, іригаційний коефіцієнт, показник натрієво-адсорбційного відношення, вивірене натрієве адсорбційне відношення за весь період досліджень також вказує, що останніми роками (1996-2004 рр.) якість поливної води Інгулецької зрошувальної системи погіршилася. Значення іригаційних показників вказують на необхідність проведення заходів щодо покращення якості води для запобігання процесів деградації у зрошуваних ґрунтах (вторинне засолення, осолонцювання).

Вплив роботи ГНС на якість поливної води. Проектом ІЗС передбачена постійна робота 3-4-х насосних агрегатів для підтримки необхідної якості води у магістральному каналі. Належним чином ці вимоги виконувались у 1973-1974 та 1985-1986 роки. Із 1997 року витрати до системи значно скоротилися (див. табл.5.1). Порівняно із 1996 роком вони зменшилися майже у 2 рази, що збільшило частку стоку річки Інгулець у формуванні поливної води та загальну мінералізацію води (рис.5.5). Із графіків видно, що динаміка іригаційних показників у воді магістрального каналу знаходиться під впливом витрат ГНС і, як відзначено вище, роботу зрошувальної системи можна розподілити на періоди початку роботи, проведення інтенсивних поливів, поступового припинення роботи системи.

Дослідження впливу зрошувальної води на еколого-меліоративний стан зрошуваних агроландшафтів. Дослідження проведені з метою визначення особливостей впливу на ґрунти зрошувальної води ІЗМ. При тривалому зрошенні у сівозміні без люцерни у шарі ґрунту 0-200 см сума легкорозчинних солей перевищувала в 2,1 рази ніж на незрошуваному перелозі. При вирощуванні багаторічних трав у сівозміні сума солей при різних варіантах системи добрив порівняно із перелогом зросла на 29,0-54,8 %. Відмічена найменша кількість легкорозчинних солей, що накопичені в ґрунті на сівозміні, де вирощувалася люцерна та використовувалися мінеральні добрива із внесенням один раз за ротацію 60-80 т/га напівперепрілого гною. Вміст солей у шарі ґрунту 0-100 см при цьому становив 16,40, а 0-200 см – 34,96 т/га. У порівнянні з перелогом це більше відповідно на 19,3 та 29,0 %. Вміст обмінного кальцію на ділянках із вирощуванням люцерни в орному шарі темно-каштанового ґрунту зменшився на 17,3-58,8 %, а у шарі 0-200 см - на 30,0-44,4 %. Вміст обмінного натрію при цьому підвищився, що зменшило відношення кальцію до натрію. Особливо цей процес простежується на ІЗМ при

Рис. 5.5 Графік роботи ГНС і динаміка мінералізації в воді магістрального каналу ІЗС

 

тривалому зрошенні без включення до сівозміни багаторічних трав, у ґрунтах підвищується вміст сульфатів та хлоридів.

Після тривалого зрошення ґрунт, порівняно із незрошуваним перелогом, відзначається гіршими фізичними властивостями. Такий ґрунт має більшу щільність складання, меншу шпаруватість. Особливо це виділяється на сівозміні без багаторічних трав та без застосування добрив. Порівняно з незрошуваним перелогом щільність таких ґрунтів зросла відповідно на 12 та 7 %, а шпаруватість, навпаки, зменшилася на 17 та 9 %. У зрошуваному ґрунті підвищився вміст фізичної глини, що вказує на посилення процесів внутришньогрунтового вивітрювання та руйнування первинних мінералів. Відбувається руйнування структури ґрунту. Порівняно із перелогом найбільше зменшення вмісту водостійких агрегатів відзначається на площах із сівозміною без багаторічних трав (в 1,3 рази). При зрошенні люцерни та застосуванні під неї системи добрив їх кількість знижується у 1,2 рази. Вміст мікроагрегатів зріс відповідно у 1,52 та 1,38 рази. Таким чином, багаторічне зрошення водою ІМК з мінералізацією 1,0-1,3 г/л і більше, та неблагополучним іонним складом визиває деградацію ґрунтів, зниження їх родючості.

Надходження щорічно на поля з поливною водою значної кількості солей (3,5-4,0 т/га) суттєво впливає на засоленість ґрунтів, як чорноземів південних так і темно-каштанових. В 1975 р. вторинно засолені землі в Херсонській області в зоні ІЗМ займали 2,3 тис. га, в 1986 р. - 3,5, в 1995 р. - 5,5 і в 2000 р. - 6,3 тис. га. Площа засолених ґрунтів за цей період зросла в 2,7 рази, це збільшення відбувалося за рахунок слабозасолених ґрунтів.

Зміна стану земель при поливі мінералізованими водами негативно позначається на продуктивності сільськогосподарських культур. Зниження врожайності сільськогосподарських культур на землях зі слабким ступенем солонцюватості становить 15-20 %, при середньому - 20-30 і сильному - 40-50 %. Останнім часом відзначається зменшення середньої урожайності озимої пшениці на 38-67 %, озимого ячменю – 33-75 %, ярих – на 33-67 %, кукурудзи на зерно – 48-87 %, цукрового буряку – 50-70 %, багаторічних трав – на 45-74 % (табл. 2). Крім того, необхідно враховувати, що обробка солонцюватих ґрунтів потребує додаткових зусиль та технологічних операцій, які в кінцевому результаті, зменшують прибуток.

5.6. Інформаційно-статистичні дослідження впливу основних факторів на формування якості зрошувальної води

Дослідженнями встановлено, що загальна кількість солей у магістральному каналі ІЗС прямо пропорційна концентрації іону хлору та відповідає лінійній моделі (рис.5.6).

Коефіцієнт детермінації (R²) за роки коливався від 91,4 до 96,6 % (рис. 6). У 1996 році він знизився до 76,9 % внаслідок низького зв'язку показників у інгулецькій воді. З рис. 5.6 видно, що динаміка показника a₁ пов’язана із розвитком промисловості. Роки досліджень за меліоративними показниками, можна поділити на три характерні періоди - 1973-1974, 1985-1986 та 1996-2004 рр.

 

Рис.5.6 Залежність загальної мінералізації від вмісту іонів хлору
в воді магістрального каналу ІЗС

Таблиця 5.2 – Урожайність сільськогосподарських культур на землях Інгулецької зрошувальної системи (за даними УК ІЗС)

В останній час (1996-2004 рр.) відмічено зростання коефіцієнта детермінації між іонами до 90-98 % та параметрів рівнянь (табл. 5.3). Особливо посилився зв’язок між вмістом іонів кальцію та вмістом хлоридів (від 0,312 до 0,770 за коефіцієнтом детермінації).

 

Таблиця 5.3 - Регресивний аналіз вмісту катіонної частини та загальної мінералізації поливної води від хлоридів за роки досліджень

Показник	Рівняння	Роки	Коефіцієнти у рівнянні	R^2
a1	а0	а2
Мінералізація	y=a·x+b	1973-1986	1,963	361,5	-	0,793
1996-2004	3,296	518,2	-	0,893
Натрій	y=a·x+b	1973-1986	0,453	39,9	-	0,736
1996-2004	0,670	56,3	-	0,720
Кальцій	y=a·ln(x)+b	1973-1986	27,47	-75,3	-	0,312
1996-2004	47,19	-166,2	-	0,770
Магній	y=a·x^2+b·x+c	1973-1986	-0,001	0,18	9,04	0,640
1996-2004	-0,001	0,254	1,03	0,678

 

Під впливом природних факторів кількість хлоридів у поливній воді не змінюється. Формуванню якості поливної води за вмістом іонів хлору сприяє також те, що метод визначення хлоридів досить простий і не потребує значного часу. Він може використовуватися як експрес-метод комплексної оцінки якості води за макрокомпонентами в системі еколого-меліоративного моніторингу.

За допомогою двофакторного аналізу досліджувалася сила впливу витрат та хлоридів у р. Інгулець на вміст хлоридів у магістральному каналі в меженний період. Сила взаємного впливу факторів за 1996-2004 рр. становила 15,6 %. При цьому найбільшу частку має взаємозв’язок витрат ГНС та р. Інгулець. Низький відсоток організованих факторів на залежність якості води у МК при дисперсійному аналізі вказує на різноманітні умови формування її як у різні роки, так і протягом року внаслідок короткочасної дії природних та штучних факторів.

Аналізуючи взаємозв’язок між хлоридами та загальною мінералізацією в магістральному каналі, виявлено зменшення значень коефіцієнта детермінації від 91,6-92,0 % у багатоводні до 77,3 % у маловодні роки (рис.5.7). Значення коефіцієнта а₁ у маловодні також знижується до 76,282 порівняно із роками іншої забезпеченості.

Рис. 5.7 Залежність загальної мінералізації від вмісту іонів хлору в воді магістрального каналу ІЗС

Дослідженнями визначений вплив витрат ГНС та хлоридів у р. Інуглець на вміст хлоридів у магістральному каналі залежно від водності року. Згідно розрахунків, по мірі зростання водності року вплив організованих факторів на вміст хлоридів в МК суттєво зменшується. Визначено, що найбільша частка належить сумісної взаємодії факторів. Значення η_x² коливалося від 39,6 % у маловодні до 8,4 % у багатоводні (рис. 5.8).

Рис. 5.8 Графік зміни сили впливу стоку р. Інгулець на вміст хлоридів в воді магістрального каналу

 

Згідно рис. 2.7 сила впливу витрат річки Інгулець найвагоміша і складає 21,3 % у маловодні роки. Результатами дисперсійного аналізу підтверджено, що вплив забезпеченості року опадами є важливим фактором у формуванні поливної води Інгулецької зрошувальної системи. Якщо розглянути окремо, то із трьох врахованих факторів найвпливовішими є витрати р. Інгулець і ГНС та їх сумісна дія. Виявлено стійку тенденцію збільшення частки організованих факторів формування якості води у МК при зменшенні водності року, що при визначенні показників дніпровської води як відносно сталих вказує на зачну роль р. Інгулець у формуванні якості поливної води Інгулецької зрошувальної системи.

Витрати до магістрального каналу визначаються кількістю одночасно працюючих насосних агрегатів на Інгулецькій та Явкінській насосних станціях. За роки досліджень їх кількість змінювалася від 1 до 9 (із 12-ти, що є на насосних станціях). Аналізом динаміки мінералізації зрошувальної води в Інгулецькому магістральному каналі від витрат ГНС виявлено, що загальна тенденція взаємопов’язана з забезпеченістю вегетаційного періоду атмосферними опадами. Роки досліджень поділено на:

багатоводні – забезпеченість атмосферними опадами за вегетаційний період менше 33 % або їх кількість за цей період більше 290 мм;

середні за водністю – забезпеченість від 33 до 66 % або від 220 до 290 мм;

маловодні - забезпеченість більше 66 % або до 220 мм.

Оброблено масиви даних (136 проб) хімічного аналізу та отримано залежності типу:

 

S=a·Q^x,

 

де S – мінералізація води в магістральному каналі, мг/л;

Q – витрати ГНС, м3/с.

 

Графіки наведено на рис. 5.9. Встановлено, що найменша мінералізація води в магістральному каналі забезпечується у маловодні роки, коли працює лише 1-2 насосних агрегатів ГНС. Це пояснюється малими витратами річки Інгулець та найбільшим забором дніпровської води із середньою мінералізацією 0,45-0,5 г/л. Для забезпечення в магістральному каналі мінералізації води менше 0,7 г/л необхідна робота 7-9 насосних агрегатів, 0,7-0,8 г/л – 5-6. Мінералізація 1 г/л в середні та маловодні роки забезпечується роботою не менше як 3-ма насосами, а в багатоводні – 5-6. Робота двох агрегатів може забезпечити в маловодні роки мінералізацію не менше 1,2 г/л, в багатоводні – 1,4 г/л. Характерною особливістю формування мінералізації води в МК при роботі одного насосного агрегату в середні за забезпеченістю роки відзначається менше її значення ніж у маловодні. Це пояснюється тим, що при такому режимі роботи ГНС головну роль відіграють води р. Інгулець, стік якої майже повністю покриває забір води до системи.

 

Рис. 5.9 Залежність мінералізації в Інгулецькому МК від витрат ГНС

 

Таким чином, найбільш несприятливим для формування води в МК є багатоводні роки, коли мінералізацію 1 г/л можна досягти лише при роботі 6 насосних агрегатів. В середні за водністю роки її можна забезпечити роботою 3-4 агрегатів, в маловодні – 2 агрегатами.

Отримано залежність вмісту хлоридів у поливній воді від витрат ГНС у різні за забезпеченістю атмосферними опадами вегетаційні періоди, що також має ступеневий вигляд (рис. 5.10). Концентрація хлоридів до 3 мекв/л (1 клас придатності до зрошення за ДСТУ 2730-94 [11]) може забезпечуватися роботою 9 та більше насосних агрегатів, що за період досліджень є дуже рідким випадком. Роботою 3-4-х насосних агрегатів їх вміст підтримується на рівні 6-9 мекв/л, 2-х – 8-12, 1-го –
10-16 мекв/л у різні за водністю роки. Характерною особливістю є перевищення рівня хлоридів у маловодні роки у порівнянні із багатоводними, що відбувається під впливом неорганізованих скидів шахтних вод. В сучасних умовах функціонування системи 1-й клас якості поливної води за концентрацією хлоридів фактично не досягається. Другий клас придатності є переважаючим і забезпечується у багато - та маловодні роки роботою більше 2-х насосних агрегатів, в середні роки – 1-го.

Рис. 5.10 Залежність концентрації хлоридів в Інгулецькому МК
від витрат ГНС

Зв’язок між витратами ГНС та коефіцієнтом небезпеки осолонцювання ґрунтів, запропонований Айдаровим И.А. і Головановим А.И. [12], має вигляд поліномінальної моделі другого порядку (рис. 5.11).При сучасному режимі роботи ГНС якість води в магістральному каналі низька. Вміст іонів натрію перевищує суму двовалентних катіонів, значення показника становлять 97-110 %. Для різного типу ґрунтів межа оцінки поливної води як придатної до зрошення змінюється. Для ґрунтів ІЗМ менші вимоги до якості поливної води, що використовується для поливів темно-каштанових ґрунтів, для яких значення коефіцієнта не повинно перевищувати 25 %. Для чорноземів південних воно повинно бути менше 10-15 %. З графіків видно, що зменшення коефіцієнта необхідного рівня не досягається навіть при роботі дев’яти насосних агрегатів у маловодні роки. В цьому випадку його значення наближуються до 40 – 50 %. Аналізом підтверджується необхідність обов’язкового проведення хімічних меліорацій поливної води та ґрунтів у всі роки різної забезпеченості атмосферними опадами.

Отримана залежність коефіцієнта небезпеки осолонцювання (за ДСТУ 2730-94 [11]) від витрат ГНС, що також має вигляд поліномінальної моделі другого порядку (рис. 5.12). Значення коефіцієнта у різні за забезпеченістю атмосферними опадами вегетаційні періоди змінюються в межах 40-60 %. Для умов Інгулецького зрошуваного масиву така вода відноситься до другого класу за ДСТУ. При моделюванні цього показника дещо зменшилося значення коефіцієнта детермінації рівнянь, на що вплинуло зростання факторів, які складають формули розрахунку та різного типу їх взаємозв’язку. Але для умов ІЗС значення детермінації залишається високим (64-79 %). При сучасному функціонуванні системи значення показника становить 50-55 %. В маловодні роки значення показника максимально наближує поливну воду до першого класу небезпеки осолонцювання при роботі 9-х насосних агрегатів, а за фактичними даними переходить до нього. Значення коефіцієнта

Рис. 5.11 Залежність коефіцієнта небезпеки осолонцювання
в Інгулецькому МК від витрат ГНС

Рис. 5.12 Залежність відношення лужних катіонів до суми основ

в Інгулецькому МК від витрат ГНС

небезпеки осолонцювання за ДСТУ 2730-94 також вказує на необхідність проведення хімічних меліорацій незалежно від забезпеченості років атмосферними опадами та витрат до системи.