Управление процессом формирования качества воды Ингулецкой оросительной системы

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ ИНГУЛЕЦКОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Ингулецкая оросительная система (ИОС), которая расположена на юге Украины, в отечественной гидромелиоративной практике была уникальной по технологии формирования водоподачи и качества поливной воды. Источником орошения ИОС одновременно являются реки Ингулец и Днепр. Русло р. Ингулец в осенне-зимний период используется для сброса шахтных вод промышленных предприятий Кривбасса (содержание солей хлоридов в воде достигает 2500…3000 мг/дм³). Сброс осуществляется ежегодно с целью предотвращения аварийной ситуации на гидротехнических сооружениях Криворожского горнорудного бассейна, согласно соответствующего Распоряжения Кабинета Министров Украины «О сбросе излишков возвратных вод в р. Ингулец» и Регламента сброса излишков сточных вод горнорудных предприятий Кривбасса [1…3].

От начала эксплуатации ИОС, с 1957 до 1988 гг., перед началом подачи воды на орошение ежегодно осуществлялась откачка «соленой призмы» от главной насосной станции (ГНС) до устья, то есть днепровская вода подтягивалась к ГНС на начало вегетационного периода. Объем откачки 60…90 млн м³ (в зависимости от расхода воды в р. Ингулец). С 1988 г. (с вводом в эксплуатацию канала Днепр-Ингулец) ежегодно, перед началом вегетационного периода, осуществляется промывка русла р. Ингулец, но из года в год качество оросительной воды в Ингулецком магистральном канале (ИМК) ухудшается. Это существенно влияет на эколого-мелиоративное состояние агроландшафтов и урожайность сельскохозяйственных культур.

Состояние изученности проблемы

Промывка русла р. Ингулец, которая осуществляется ежегодно весной водой Карачуновского водохранилища, не обеспечивает удовлетворительное качество воды в ИМК в вегетационный период и не решает полностью вопрос экологического оздоровления р. Ингулец. В вегетационный период вода р. Ингулец имеет повышенное содержание хлора, натрия и др. солей.

Поэтому технологическим проектом подачи воды удовлетворительного качества в ИОС предусмотрено разбавление ингулецкой воды днепровской, которая поступает по руслу р. Ингулец как «антирека», в соотношении не менее 1:3, 1:2 для обеспечения условно удовлетворительного качества воды в ИМК. Экспресс-показателем качества оросительной воды ИОС в системе эколого-мелиоративного мониторинга целесообразно считать хлориды, потому что их содержание имеет тесную корреляционную связь со всеми химическими и ирригационными показателями [2]. В 2005;2010 гг. наблюдалось постоянное уменьшение объемов водоподачи и сокращение периода работы ГНС Управления каналами (УК) ИОС. Причины этого: уменьшение площадей полива; переход значительного количества водопользователей на капельное орошение; отказ городского коммунального предприятия «Николаевводоканал» от наполнения Октябрьского водохранилища.

В современных условиях большинство сельскохозяйственных товаропроизводителей, которые работают на территории ИОС, ориентируются на ресурсои энергосбережение, стремятся эффективнее использовать оросительную воду и уменьшать объемы водозабора путем внедрения современных технологий полива и новой дождевальной техники. Но для функционирования Ингулецкой системы, проектная технология водоподачи, которая была рассчитана на значительные объемы воды, способствует ухудшению качества поливной воды и снижает эффективность орошения на Ингулецком массиве.

Задачи и методика исследований

Современный этап развития орошаемого земледелия на ИОС предусматривает создание условий для стабильного управления эколого-мелиора-тивным режимом почв и сухостепных агроландшафтов в целом, а также качеством поливной воды, являются основными факторами влияния на формирование урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. В основе принятия оптимальных управленческих решений должна быть объективная информация, полученная в результате мониторинговых исследований, включающих сбор, обработку, анализ, моделирование и прогнозирование исследуемых показателей (индикаторов) и процессов.

Поэтому, основной задачей работы было исследовать альтернативные варианты формирования качества воды в ИМК. Основным методом исследований является производственный водохозяйственный эксперимент по изменению условий формирования качества поливной воды.

В работе использованы стандартные методики гидрохимических исследований и апробированы новые методы экспресс-прогнозов показателей плодородия и эколого-мелиоративного режима почв, которые предложены Херсонским государственным аграрным университетом (ХГАУ) [5]. Использованы фондовые материалы УК ИОС [4].

Результаты исследований

Головная насосная станция Ингулецкой оросительной системы в 2008;2010 гг. в вегетационный период работала преимущественно 1…2 насосными агрегатами (расходы составляли, соответственно, 5,5…11 м³/с), иногда, на кратковременный период, подключался 3-й агрегат (16,5 м³/с).

В работе ГНС в течение поливного сезона были выделены несколько характерных периодов. Первый период работы ГНС: начало работы 25 апреля — 15 мая (в зависимости от заявок сельхозтоваропроизводителей, погодных условий, влагозапасов в почве) до 1…2 декады июня. В этот период в р. Ингулец выше и ниже створа ГНС находится промывная вода из Карачуновского водохранилища, содержание солей хлора составляет 260…320 мг/дм³. Вода такого качества удовлетворяет водопользователей. Кроме этого, стабильное удовлетворительное качество воды в источнике орошения позволяет УК ИОС выполнять мероприятия по энергосбережению, и не следует включать дополнительные агрегаты ГНС для формирования необходимого качества воды. Появляется возможность в дневное время (когда действуют высокие тарифы на электроэнергию) уменьшать объем водоподачи в ИМК путем уменьшения количества работающих агрегатов, а в ночное время (действует льготный тариф на электроэнергию), перекачивать воду большими объемами, используя как регулирующие емкости Явкинский МК и Любинское водохранилище.

Существенным недостатком традиционной схемы промывки является то, что высокоминерализованная ингулецкая вода (количество хлоридов до 900…1000 мг/дм³ — естественный фон р. Ингулец) подходит к ГНС сверху «на хвосте» у промывной гораздо раньше, чем подтягивается снизу «антирекой» днепровская вода. При этом в ИМК периодически наблюдается неудовлетворительное качество воды (содержание солей хлора до 700 мг/дм³), которая формируется вследствие недостаточной доли днепровской воды при малом количестве работающих насосных агрегатов ГНС (1…2) и значительном постоянном колебании уровней воды в р. Ингулец.

Для моделирования и прогнозирования одномерных рядов показателей качества воды в оросительных каналах применение линейных методов, как показали результаты исследований, не дает точных и достоверных результатов. Для дальнейшего моделирования изменений показателей качества воды использован нелинейный метод нейронных сетей (архитекту-ра — многослойный перцептрон). Теоретико-методологическое обоснование использования этого метода в гидромелиорации, мелиоративном почвоведении и гидрогеологии, а также прогнозные расчеты выполнены В. В. Морозовым и В. И. Пичурой [5]. Результаты прогноза среднегодовых показателей минерализации оросительной воды Ингулецкого магистрального канала до 2015 г., при традиционной схеме формирования качества воды в ИМК «антирека», представлены на рисунке.

Важным этапом проведенных исследований является совершенствование методов моделирования и прогнозирования показателей химического состава оросительной воды. Внедрение новых, современных методов математического и статистического моделирования и прогнозирования способствуют выполнению двух основных задач — прогнозирования процесса формирования качества оросительной воды с целью предупреждения негативных последствий полива некачественной водой и своевременные внедрение мелиоративных мероприятий.

Прогноз минерализации (S, г/дм³) оросительной воды ИМК в 2015 г.

В результате многочисленных экспериментов, для прогнозирования сложной системы формирования химического состава оросительной воды ИМК на базе использования метода нейронных сетей, был разработан ряд оптимизационных моделей [5], достоверность которых на тестовой выборке, при стандартной погрешности (5%) находится в пределах 79…92%.

Достоверность полученных моделей для прогнозирования среднегодовых изменений химического состава воды ИМК с учетом стандартной погрешности на контрольной выборке (кросс-проверка) равны: минерализация — 85%, анионы (НСО₃^- — 92%, Сl^- — 79%, SO₄² — 88%), катионы (Ca²⁺ — 88%, Mg²⁺ — 79%; Na⁺+К⁺ — 87%). Краткосрочный прогноз (на 1−2 года) более точный, чем долгосрочный (более 2-х лет), так как при увеличении периода прогнозирования достоверность полученных результатов уменьшается и прогноз требует корректировки.

Прогнозы изменения качества воды ИОС показали, что:

ирригационные показатели являются результатом сложного процесса формирования соответствующего количества и качества воды в Ингулецком магистральном канале при смешивании днепровской и ингулецкой воды с помощью ГНС;

при существующей системе формирования качества поливной воды («антирека»), в условиях всех режимов работы ГНС, происходит стабильное ухудшение всех показателей химического состава воды и, в первую очередь, ее минерализации. На период 2009;2015 гг. прогнозируется ухудшение на 8…10% всех ирригационных показателей качества поливной воды.

На основании результатов проведенных производственных, лабораторных и прогнозных исследований [1…6], руководством УК ИОС, Госводхозом Украины и Херсонским ГАУ была разработана и прошла опытно-производственную проверку в 2010 г. новая альтернативная схема промывки р. Ингулец. По этой схеме, согласно утвержденного «Регламента экологического оздоровления р. Ингулец, улучшения качества воды в Карачуновским водохранилище и на водозаборе Ингулецкой оросительной системы», режим расходов из Карачуновского водохранилища формируется следующим образом: с 15 апреля — постепенное увеличение сбросов до 20 м³/с, 16−30 апреля — 20 м³/с; 1 мая — 31 августа — 10…15 м³/с. Общий объем сброса из Карачуновского водохранилища должен достигать в среднем 190 млн м³. При этом, качество воды по содержанию солей хлора в Карачуновским водохранилище в среднем обеспечивается на уровне 150 мг/дм³.

Производственный эксперимент показал, что этот новый вариант позволит обеспечить удовлетворительное качество воды на водозаборе Ингулецкой оросительной системы в вегетационный период, начиная с 1 мая. Для перехода на формирование качества поливной воды в ИОС по новой схеме необходимо бассейновое управление водными ресурсами р. Днепр и р. Ингулец, которое должно быть обеспечено соответствующим государственным финансированием. Для окончательного обоснования предлагаемого варианта планируется проведение дальнейших гидрологических и гидрохимических исследований по бассейновому регулированию качества воды в р Ингулец и на Ингулецкой оросительной системе.

Выводы и предложения

При современных водохозяйственных и экономических условиях эксплуатации ИОС, которые сформировались в настоящее время, перспективным вариантом обеспечения соответствующего качества воды в ИМК является формирование стабильного удовлетворительного качества воды в источнике орошения р. Ингулец на протяжении всего вегетационного периода путем осуществления попусков воды удовлетворительного качества из Карачуновского водохранилища в период с 15 апреля до 1 августа с незначительным корректировкой в зависимости от погодных условий года расходами не менее 12 м³/с.

Выполнение этого инженерно-мелиоративного технологического процесса в условиях бассейнового управления водохозяйственным комплексом, обеспечит улучшение качества воды в ИМК, экологического состояния р. Ингулец и всего орошаемого массива. Для реализации этого варианта необходимо комплексное научное технико-экономическое и экологическое обоснование нового режима водопользования на ИОС с учетом фактических проявлений изменения климата на юге Украины.

Библиографический список

• 1. Науково-методичне обґрунтування регламенту промивки р. Інгулець нижче греблі Карачунівського водосховища для різних екологічних та гідрологічних ситуацій. Київ: ВАТ «Укрводпроект», 2000. 23 с.
• 2. Морозов В. В., Нежлукченко В. М., Волочнюк Є.В. Формування якості зрошувальної води на Інгулецькому масиві. Херсон: Наддніпряночка, 2003. 228 с.
• 3. Регламент проведення промивки русла р. Інгулець від греблі Карачунівського водосховища до гирла (2000;2009 рр.).
• 4. Фондові матеріали Управління каналів Інгулецької зрошувальної системи за 2000;2010 рр.
• 5. Морозов В. В., Пічура В.І., Морозов О. В. Теоретико-методологічні основи застосування методу нейронних мереж при прогнозуванні показників меліоративного режиму зрошуваних ландшафтів. Таврійський науковий вісник: 3б наук. праць ХДАУ. Херсон: Айлант, 2009, Вип. 65, 4.2. С. 3−12.
• 6. Лозовицький П. С., Морозов В. В., Волочнюк Є.Г., Сафонова О. П. Методи поліпшення якості поливної води в умовах Інгулецького зрошуваного масиву. Тавр. науковий вісник: 3б наук. Праць ХДАУ. Херсон: Айлант, Вип. 65, 4.2. 2009, С. 184−194.