География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

Д.г.н. Смольянинов В.М.

Воронежский государственный педагогический университет, Россия

Водозаборы с искусственным пополнением

подземных вод для орошения земель в

Центрально-Чернозёмном регионе

В районах с недостаточным увлажнением земель весьма эффективным мелиоративным мероприятием, обеспечивающим высокую урожайность сельскохозяйственных культур, является орошение земель. В настоящее время на орошаемых землях мира, которые занимают около 20% площади пашни, производится более 40% продукции растениеводства, при урожайности орошаемых земель в 3 - 5 раз выше, чем на богаре. В Российской Федерации площадь мелиорированных земель до 1990 г. занимала около 10% сельхозугодий [11].

Одним из регионов России, нуждающихся в мелиорации земель, является Центрально-Чернозёмный регион, в который входят Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая, Орловская и Тамбовская области. Анализ климатических условий этого региона показывает, что даже в средние по водности годы на большей его части могут возникать неблагоприятные условия для произрастания сельскохозяйственных растений, а в засушливые - отмечаются значительные потери урожая. Необходимость орошения сельскохозяйственных культур, как известно, в основном определяется естественным увлажнением почвы. Зонирование характеризуемого региона по величине природной влагообеспеченности позволяет выделить пять зон, которые характеризуются разными коэффициентами природной увлажнённости земель (Ку). При этом в наибольшей степени в орошении земель нуждаются юго-восточные районы Воронежской области, где коэффициент Ку меньше 0,5. На юго-востоке Белгородской области, в центральных районах Воронежской и большей части Тамбовской этот коэффициент составляет 0,5 - 0,6, то есть и в этой зоне следует проводить орошаемое земледелие. Лишь в большинстве районов Орловской области и в северной части Курской потребность в орошении земель не столь значительна. Здесь можно рекомендовать дополнительное орошение земель, при котором в засушливые годы один - два своевременных полива способны значительно увеличить продуктивность сельскохозяйственных культур [4,12].

При перспективной оценке возможности проведения орошаемого земледелия в регионе большую роль играет наличие земель, пригодных для полива, а также достаточное количество и необходимое качество водных ресурсов, которые можно использовать для орошения земель. Наиболее распространённым типом почв в характеризуемом регионе являются чернозёмы, которые занимают 84,3% территории. Они представлены подтипами выщелоченных, типичных, обыкновенных и луговых чернозёмов. Здесь встречаются также подзолистые, дерново-подзолистые, дерновые, дерново-карбонатные, серые, светло-серые, тёмно-серые, тёмно-каштановые, лугово-каштановые и аллювиальные почвы, а также солонцы, солончаки и солоди (табл. 1).

Таблица 1

Удельный вес основных типов почв в административных областях

Центрально-Чернозёмного региона, % [ 7 ]

Области	Основные типы почв
	1	2	3	4	5	6	7	8
Белгородская	-	2,2	7,2	87,0	-	1,1	0,1	2,4
Воронежская	-	0,2	0,7	93,8	1,7	2,0	0,4	1,2
Курская	0,1	12,2	18,3	68,2	-	0,8	-	0,4
Липецкая	-	2,6	14,9	76,5	-	0,7	0,1	5,2
Орловская	1,5	29,0	52,9	15,5	-	1,0	-	0,1
Тамбовская	-	1,1	0,6	96,2	-	1,0	-	0,1
Регион ЦЧО	-	3,7	8,9	84,3	0,3	1,1	0,2	2,4

Типы почв: 1 – подзолистые и дерново-подзолистые почвы; 2 – дерновые, дерново-карбонатные, серые и светло-серые; 3 – тёмно-серые и чернозёмы оподзоленные; 4 – чернозёмы выщелоченные, типичные, обыкновенные, луговые; 5 – чернозёмы южные, тёмно-каштановые и лугово-каштановые; аллювиальные; 6 – аллювиальные; 7 – солонцы, солончаки, солоди; 8 – прочие почвы.

Чернозёмы центрально-чернозёмного региона имеют мощный и хорошо развитый почвенный профиль; тёмную, почти чёрную, окраску, хорошо выраженную зернистую структуру в большей части гумусового горизонта; слабо уплотнённое сложение; неровную границу перехода гумусового горизонта в материнскую породу; наличие карбонатного горизонта, который характеризуется различными формами карбонатных новообразований. В наибольшей степени эти особенности проявляются в типичных чернозёмах. Инфильтрационная способность разных типов почв неодинакова. Так, скорость фильтрации серых лесных почв обычно составляет 0,14, а мощных черноземов – 0,51 м/сутки [11].

Водные ресурсы характеризуемого региона в средние по водности годы составляют 26,4 км³, а в годы 75%-ной обеспеченности отмечается сокращение их объёма до 14,9 км³, и 95%-ной – до 10,5 км³ [6]. В регионе имеется девять основных водоносных горизонтов подземных вод, суммарные естественные ресурсы которых составляют 181 м³/сек. Из этих горизонтов для городского и сельскохозяйственного водоснабжения отбирается 51 м³/сек подземных вод, что приводит к сокращению речного стока в связи с гидравлической связью верхних водоносных горизонтов с речным стоком. Поэтому допустимый модуль отбора подземных вод в регионе не должен превышать 0,50 л/сек./км² [9].

В настоящее время основными источниками воды для полива земель в характеризуемом регионе являются пруды (56,0%) и реки (40,3%). Подземные воды используются для этого в небольшом объеме в связи с ограниченностью их ресурсов (0,6%). Некоторая часть орошаемых земель поливается из русловых водохранилищ, а также сточными водами животноводческих комплексов.

Отбор воды из живого тока рек для орошения можно производить в небольшом объёме, так как средние расходы большинства рек в летнюю межень составляют 1 - 5 м³/с. Лишь реки Дон, Воронеж, Хопер и Сейм имеют большие расходы. Поэтому из рек региона в течение года можно отбирать на полив земель не более 416 млн. м³. Как видно, для обеспечения водой орошаемого земледелия необходимо производить регулирование весеннего стока, объём которого в годы средней обеспеченности в регионе составляет 13,4 км³, 75%-ной обеспеченности – 7,5 км³ и 95%-ной – 3,5 км³. Часть этого стока уже регулируется агротехническими и лесомелиоративными мероприятиями, после чего остаётся около 4-х км³ не зарегулированного весеннего стока, воды которого обычно имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к оросительным водам [1,3,8].

Однако применять обычные приемы регулирования этой части весеннего стока здесь можно весьма ограниченно. Так, прудами и русловыми водохранилищами в настоящее время в регионе зарегулирована меньшая его часть – около 1,3 км³. При этом около 60% прудов имеет небольшие размеры - менее 100 тыс. м³; к тому же, большинство их требует ремонта.

Распределены пруды в регионе неравномерно, что связано с неодинаковыми условиями их строительства. Так, в Тамбовской области и на севере Воронежской существуют для этого наиболее благоприятные геологические условия и большая часть балок (95%) сформирована в слабо водопроницаемых ледниковых суглинках. На севере Среднерусской возвышенности, то есть в Орловской области и в западных районах Липецкой, балочная сеть вскрывает трещиноватые известняки верхнедевонского возраста, которые прикрыты маломощным покровом суглинков, поэтому для строительства прудов здесь можно использовать не более 10% балок, в нижних частях которых близко залегают грунтовые воды. Примерно такие же условия существуют на площади песчаных террас Дона-Воронежа, где строить пруды можно в 25% балок. В центре и на юге Среднерусской возвышенности, то есть в Белгородской области и на юге Воронежской и Курской областей, балки вскрывают трещиноватые мела, мергели и водопроницаемые суглинки. Здесь можно использовать под пруды лишь 30% балок - при залегании палеогеновых глин в верхних частях, или неглубоком положении грунтовых вод в нижних частях балок. Как видно, в южных районах Центрально-Чернозёмного региона, наиболее нуждающихся в орошении земель, существуют неблагоприятные условия для строительства прудов.

Поэтому здесь следует применять принципиально новые схемы водозаборов, то есть системы искусственного пополнения подземных вод (ИППВо), использующие естественную водопроницаемость пород. При этом в балках, сложенных такими породами строятся фильтрующие водоёмы, за счет которых создаются искусственные ресурсы грунтовых вод, которые можно использовать для орошения земель. Это является наиболее экономически оправданным путем развития орошаемого земледелия, позволяющим дополнительно оросить около 200 тыс.га земель в Белгородской, Липецкой, Воронежской и Курской областях.

В результате исследований, проводившихся в районах распространения водопроницаемых пород, были разработаны «Рекомендации по проектированию и эксплуатации водозаборов с искусственным пополнением запасов подземных вод для орошения в центрально-черноземных областях» [5]. При их подготовке использовались материалы наблюдений на экспериментальных фильтрующих водоемах, которые проводились в 1968-1972 гг. Проблемной гидромелиоративной научно-исследовательской лабораторией Воронежского сельскохозяйственного института, а также результаты изучения условий проектирования и строительства водозаборов ИППВо в центрально-чернозёмном регионе. Для апробирования рекомендаций по использованию таких водозаборов были построены три экспериментальных участка орошения, на которых были проведены наблюдения и получены хорошие результаты. Однако строительство объектов орошения с водозаборами ИППВо в характеризуемом регионе с того времени больше не проводилось, что объясняется общим сокращением мелиоративных работ, а также недостаточной информированностью работников сельского хозяйства и мелиораторов о таких водозаборах [8,11].

Как показали наши наблюдения, проведенные на семи экспериментальных фильтрующих водоёмах в разных гидрогеологических районах, эти водоёмы наполняются, так же как и обычные пруды, в весеннее время водами склонового стока; скорость снижения уровня воды в фильтрующих водоёмах составляет 2-10, реже, – до 20 см/сут. При этом под фильтрующим водоёмом образуется инфильтрационный купол, который смещается по потоку грунтовых вод в сторону реки со скоростью от 1 до 20 см/сут. Время растекания этого купола определяется водопроводимостью верхнего водоносного горизонта и составляет пять-десять месяцев. За счет заполнения водой свободной ёмкости зоны аэрации в районе фильтрующего водоема, как в подземном водохранилище, накапливаются искусственные ресурсы подземных вод (рис. 1).

Рис. 1. Фильтрующий водоём в балке Лозиновая: 1 – уровень зеркала грунтовых вод; 2 – поверхность инфильтрационного купола; 3 – естественные ресурсы грунтовых вод; 4 – искусственные ресурсы; 5 - поверхность земли.

Системы с искусственным пополнением подземных вод (ИППВо) можно применять как для сезонного регулирования весеннего стока - при полном использовании искусственных ресурсов в летнее время, а также для многолетнего регулирования, позволяющего накапливать дополнительные искусственные ресурсы в более влажные годы и использовать их в засушливые периоды. По величине фильтрационных потерь все искусственные водоемы характеризуемого региона, могут быть разделены на три группы: водоёмы со скоростью фильтрации менее 1 см/сут. – это пруды; 1 - 5 см/сут. – водоёмы с умеренной фильтрацией; более 5 см/сут.- водоёмы с сильной фильтрацией. Таким образом, к первой группе относятся обычные пруды, ко второй – водоемы с заметными фильтрационными потерями, а к третьей – сильно фильтрующие водоемы.

В системы искусственного пополнения подземных вод для орошения земель (ИППВо) входят: фильтрующие водоёмы, водозаборные скважины и регулирующие водоемы-накопители. С учётом скорости фильтрации из водоёма, выделяются два типа таких водозаборов.

I. Комбинированный водозабор с ИППВо (тип I). Может быть построен при относительно небольшой скорости фильтрации из водоема (1,0-5,0 см/сут), что позволяет производить первые два – три полива из этого водоема, а остальные – за счёт водозаборных скважин. Наиболее благоприятные условия для строительства таких водозаборов существуют в нижних частях крупных балок, при относительно близком залегании (5 - 10 м) грунтовых вод.

II. Водозабор скважин с ИППВо (тип II). При быстром опорожнением водоема, то есть при скорости фильтрации из него более 5 см/сут, все поливы полностью обеспечиваются водой из водозаборных скважин. Такие водозаборы используются при высокой водопроницаемости рельефообразующих пород и относительно глубоком залегании грунтовых вод – до 10-20 м.

Экспериментальные комбинированные водозаборы ИППВо I-го типа были построены в 1977-1978 гг. в совхозе «Свобода» Павловского района Воронежской области и колхозе «Красное знамя» Лебедянского района Липецкой. Средняя скорость фильтрации из водоемов составляла, соответственно, 4,1 и 5,0 см/сут., то есть в апреле и мае – 8 см/сут., а в июне, июле и августе – меньше 1 см/сут. Из фильтрующего водоема в совхозе «Свобода» на поливы за сезон отбиралось 113 тыс. м³ воды, а в колхозе «Красное знамя» – 93 тыс. м³. Суммарный отбор воды скважинами достигал, соответственно, 339 тыс. м³ – при работе 6-ти скважин и 260 тыс. м³ – 3-х скважин. В колхозе «Красное знамя» накопителем служила нижняя слабо фильтрующая часть ёмкости водоема (70 тыс. м³), а в колхозе «Свобода» был построен земляной водоем-накопитель ниже плотины фильтрующего водоема, емкость которого – 5 тыс. м³. За счет использования комбинированного водозабора в совхозе «Свобода» орошалось 243 га сельскохозяйственных угодий, а в колхозе «Красное знамя» – 147 га [8].

Фильтрация из водоема в совхозе «Боринский» Липецкой области достигала 27 см/сут, поэтому все поливы обеспечивались водой из двух скважин, построенных около участка орошения. Накопитель емкостью 5 тыс. м³ располагался также около участка орошения. Площадь орошаемых земель составляла 196 га. Это типичный водозабор ИППВо II-го типа (табл. 2)

Таблица 2

Характеристика участков орошения с водозаборами ИППВо [8]

Основные показатели	Совхоз «Свобода»	Колхоз «Красное знамя»	Совхоз «Боринский»
Тип водозабора ИППВо	I	I	II
Площадь орошения, га	243	147	196
Водопотребление, тыс. м^3	452	353	450
Емкость водоема, тыс. м^3	1030	632	600
Объем фильтрации, тыс. м^3	869	632	600
Количество скважин, шт.	6	3	2
Расстояние между скважинами, м	120	150	200
Глубины скважин, м	50	90	120
Дебит скважин, м^3/час	46	26	73
Местоположение накопителя	у водоема	часть водоема	около участка
Емкость накопителя, тыс. м^3/сут.	5,7	70,0	5,0
Период полива, сутки	150	150	150
Время работы скважин, сутки	110	130	150

В результате обследования центрально-чернозёмного региона были выделены площади с благоприятными условиями строительства водозаборов с ИППВо. Наиболее нуждающимися в их строительстве являются южные районы региона, то есть Белгородская область и юг Воронежской, где рельефообразующими породами являются трещиноватые мела и мергели верхнемелового возраста. Основными показателями при выделении площадей с благоприятными условиями строительства водозаборов при этом были приняты:

1. Неглубокое залегание грунтовых вод: менее 20 м;

2. Высокая водопроницаемость зоны аэрации: коэф. фильтрации > 0,5 м/сут.;

3. Наличие свободной ёмкости зоны аэрации;

4. Хорошие гидрогеологические условия: коэффициент водопроводимости водоносного горизонта >100 м²/сут.; удельные дебиты скважин >5 м³/час.

Таким образом, изучение состояния орошаемого земледелия и возможности его развития в центрально-чернозёмном регионе показало:

1. В 1991 году в характеризуемом регионе орошалось около 380 тыс. га сельскохозяйственных угодий. В период проведения земельной реформы площадь орошения сократилась почти в восемь раз, что связано со значительным уменьшением финансирования мелиоративных работ.

2. В соответствии с «Концепцией развития мелиорации земель России на период до 2020 года» в последующие десять лет в регионе намечается восстановление и развитие мелиоративно-водохозяйственного комплекса [2,10].

3. В южных районах Центрально-Чернозёмного региона, которые в наибольшей степени нуждаются в орошаемом земледелии, строить пруды для орошения земель затруднительно в связи с высокой водопроницаемостью рельефообразующих пород. В этих условиях можно использовать принципиально новые схемы водозаборов, то есть системы искусственного пополнения подземных вод (ИППВо). При этом предусматривается, что в балках, сложенных водопроницаемыми породами, сооружаются фильтрующие водоёмы, за счет которых создаются дополнительные (искусственные) ресурсы грунтовых вод, которые можно использовать для орошения земель. Это является наиболее экономически оправданным путем развития орошаемого земледелия, позволяющим дополнительно оросить около 200 тыс.га земель в Белгородской, Липецкой, Воронежской и Курской областях и, в значительной степени, решить проблему кормовой базы животноводства в регионе.

4. Институтом ЦЧОгипроводхоз были разработаны «Рекомендации по проектированию и эксплуатации водозаборов с искусственным пополнением запасов подземных вод для орошения в Центрально-Черноземных областях», которые в настоящее время будут использованы для строительства орошаемых участков с водозаборами ИППВо в южных районах региона.

Эти рекомендации, позволяющие проводить орошение земель в районах с неблагоприятными геологическими условиями строительства прудов, как мы считаем, могут быть использованы в других регионах с аналогичными природными условиями. При этом строительство и эксплуатация водозаборов с искусственным пополнением подземных вод для орошения, по нашим подсчётам, является вполне экономически эффективным.

Литература

1. Безднина С.Я. Качество воды для орошения, принципы и методы оценки. М., «Рома», 1997. – 186 с.

2. Концепция федеральной целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель России на период до 2020 года», М. 2010, - 53 с.

3. Методика оценки качества вод для орошения сельскохозяйственных культур на черноземах в центрально-черноземных областях. ЦЧОГипроводхоз, Югмелиорация, Новочеркасск, 1988.

4. Методические указания по обоснованию проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур в ЦЧО. Новочеркасск, 1988 – 46 с.

5. Рекомендации по проектированию и эксплуатации водозаборов с искусственным пополнением запасов подземных вод для орошения в центрально-черноземных областях. Под ред. В.М. Смольянинова. ЦЧОгипроводхоз, Воронеж, 1977.

6. Ресурсы подземных вод СССР и их использование в народном хозяйстве. М., ВСЕГИНГЕО, 1967.

7. Романенко Г.А., Комов Н.В., Тютюников А.И. Земельные ресурсы России, эффективность их использования. М.: Россельхозакадемия, 1996 – 304 с.

8. Смольянинов В.М. Водозаборы с искусственным пополнением подземных вод для орошения земель. Воронеж: ВГАУ. 2001 – 153 с.

9. Смольянинов В.М. Подземные воды центрально-чернозёмного региона: условия формирования и использования. Воронеж: Истоки, 2003 – 240 с.

10. Смольянинов В.М., Стародубцев П.П. Концепция развития мелиорации земель Российской Федерации и орошаемое земледелие в центрально-чернозёмном регионе // Научные ведомости БелГУ, №2. Белгород. 2010, - С. 34 – 45.

11. Смольянинов В.М., Стародубцев П.П. Комплексная мелиорация и орошение земель в центрально-чернозёмном регионе: состояние, условия развития. Воронеж.Истоки, 2011 – 180 с..

12. Черемисинов А.А. Потребность в гидромелиорациях на основе оценки атмосферного увлажнения // Вестник Воронежского отделения Русского географического общества. Т. 10. Воронеж 2010 – С.119-123.