Mse-Online.Ru
Орошение подземными водами
Классификация подземных вод. Подземные воды делят на верховодку, грунтовые и артезианские.
Верховодкой называют временные водоносные горизонты, которые образуются на линзах и прослойках слабопроницаемых пород вследствие просачивания атмосферных осадков, поверхностных и оросительных вод. Скорость поступления воды па такие линзы или прослойки больше, чем скорость просачивания через них.
Грунтовые воды залегают на первом от поверхности земли водонепроницаемом или слабопроницаемом слое. Поверхность этого горизонта свободная, то есть давление на ней равно атмосферному.
Артезианские воды залегают в водопроницаемых грунтах, заключенных между водонепроницаемыми слоями, заполняют все пустоты в пласте и находятся под напором. Поэтому в артезианских скважинах уровень воды поднимается выше отметки вскрытия и часто выше поверхности земли. В последнем случае скважины фонтанируют. Для орошения используют в основном грунтовые и артезианские воды.
Качество подземных вод. Характеризуется оно их физическими свойствами (температура, цвет и пр.), химическим составом, содержанием органических веществ и бактериологическим составом. Для поливов вода должна иметь температуру не ниже 14… 17 °С.
Подземные воды в зависимости от минерализации делят на пресные (до 1 г/л), слабоминерализованные (1…3 г/л), солоноватые (3…10 г/л), соленые (10… 25 г/л), сильно соленые (25…50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).
Химически чистая вода нейтральна, ей соответствует рН=7. Если рН 7 воды щелочные, а при рН>9 — высокощелочные. Полив щелочными водами может вызвать в аридной зоне содовое засоление почв, наиболее вредное для культурных растений.
Опасность осолонцевания почвы в результате поглощения ионов натрия из оросительной воды возникает, если эквивалентное отношение [Ca++*Mg++] : [Na+]
Источник
Использование подземных вод на орошения
Кроме поверхностных вод на орошения могут быть использоваться подземные воды. В странах СНГ подземными водами орошается: в Крыму, в Молдавии, на Украине, в Поволжье, Средней Азии, Казахстане, в Закавказье.
Скважина с удельным дебитом 2 л /с и глубиной откачки 50-60м. может дать расход воды около 100 л /с . При гидромодуле 0,25 л /с на 1 га дает возможность орошать из одной скважин около 400 га. Обычно дебит скважин составляет от 2 до 25 л /с.
Достоинством использования подземных вод на орошения является:
— Возможность получения воды на месте, вблизи орошаемых земель отсутствие необходимости иметь длинную холостую часть магистрального канала;
— Содействия общему понижению грунтовых вод на орошаемой площади;
— Небольшая потери воды и высокий КПД вследствие небольшой длина каналов;
— Не заиляемость каналов, т .к вода не содержать наносов.
Особенно ценно использование артезианских самоизливающихся подземных вод , так как не требует расходов энергии.
Практика использования подземных вод на орошения показывает, что инвестиционное вложении на 1 га орошения при достаточной водообильности скважины и современном техническом оборудовании ее не выше (а часто ниже) чем инвестиционное вложении на 1 га поверхностного полива.
Что же касается эксплуатационных затрат, то он при орошении подземными водами выше чем при поверхностном орошении. На 1 га затрачивается 400-500 квт элекро энергии при подъеме воды из колодцев с глубин 30 м, до 1500-1600 квт при глубине подъемы 100 м .
Слабые стороны орошения подземными водами:
1. Такое орошения не всегда возможно. Ограничение могут обуславливаться:
a) Глубиной залегания их и размером дебита, (большая глубина и неустойчивый дебит часто делают использование подземных вод не эффективными).
б) Качество этих вода во многих случаях они сильно минерализовала.
Поэтому подземные воды, прежде чем использовать подвергается к тщательному гидрогеологическому исследованию и химическим анализам.
в) необходимость механической откачки и высокая эксплуатационная затраты;
г) отсутствие в них взвешанных частиц;
д) низкая температура воды;
ж) при интенсивной откачке, превышающий их естественное питание, наступает постепенное истощение запасов подземных вод и понижения их уровня.
Например за 10 лет (1940-1950 г.г.) площадь орошаемых подземными водами в США увеличился почти на 2 млн.га, вследствие чего резко уменьшилось горизонты грунтовых вод. Это понижение в Калифорнии составило 1 м в год.
В целях недопущения таких понижение необходимо чтобы забор этих вод не превышало размеров их питания.
Для добычи подземных вод на орошения применяется следующие устройства:
— Каптаж ключей, или родников;
— Шахтные и артезианские колодцев;
Каптаж ключей предоставляет большие удобства для орошения склонов, расположенные ниже выхода ключей. Дебит ключей не велик и бывают достаточен для орошения небольших участков.
Вода из каптированного ключа на орошения подается самотеком (рис 8.8).
Рис 8.8 Каптаж родников и ключей.
Колодцы :в целях орошения применяется как шахтные , так и трубчатые или буровые колодцы. Диаметр трубчатых колодцев принимается 75-100 см.
Вертикальные колодцы должны быть оборудованы глубинным и высоко- производительными насосами.
Один колодец может давать от 100 до 2500 м 3 в сутки воды.
Шахтные колодцы– насос помешается в колодец, а двигать на поверхности земли, или же насос и двигалась помешается в шахте колодца.
Трубчатые колодцы —насос опушен в трубу колодца (поршневой).
Стоимость 1 м 3 воды, добываемой из скважин с откачкой снижается:
— с уменьшением глубины залегание уровня вод;
— с увеличением глубины откачки;
— с повышением удельной водоподачи.
При самоизливающихся скважных стоимость орошения на 1 га и стоимость 1 м 3 воды возрастает с увеличением глубины скважины и с уменьшением дебита ее.
Галерей при орошения подземными водами делаются ввиде резервуара. Они позволяют увеличить размеры орошаемой площади.
Дебит должен быть увязан сроками посева и фазами развития культур.
Положим, что продолжительность полива площади W составляет t, при поливной норме m, м 3 /га, необходимой расход определяются Q = mw/ 86,4 t.
Если в поливной период (t) дебит источника грунтовых вод равен Q0, л/с окажется меньше чем Q то в период t будем иметь дефицит воды
а суммарный дефицит ∑ t (Q- Q0 ).
Этот дефицит должен быть покрыт из резервуара емкость, которых должен быть не меньше W= t (Q- Q0 ) или W= (mw-Qt)Σn
n≥1 поправочная коэффициент на потери воды.
Время наполнения резервуара t0
при отсутствии резервуара за время (t) непосредственно можно полить площади равной
1)Равномерно использовать местный сток за год для обводение, водоснабжения и орошения;
2) способствует накопление грунтовых вод;
3) уменьшает эрозии почвы;
Поперечное сечения прудов показано на рисунке 8.10.
Рис 8.10 Вид прудов
В прудах различает : мертвый, рабочий, полный и полезные объемы.
Мертвый объем WМО использует для отложения наносов и необходимо для зимовки рыб. Ему соответствует уровень мертвого объема, который принимает на 1,5-2 м от дна у плотины.
На отметке МО и располагают порог для выпуска воды.
Рабочий объем воды располагается выше мертвого объема. Он включает в себе полезный объем WП , потери воды на испарения WИ и фильтрацию WФ.
Расчет пруда
Объем наносов за год (W)
Где: ρ – мутность воды, г/м 3 ;
r- данные отложения, 0,08 W;
Sa – площади водосбора км 2 ;
K1— коэффициент, от 1- 20
Обычно затопления мертвого объема наносами принимают 20-50 лет.
Объем наносов за это время составляет.
Потери воды зависит от площади пруда т.е.
Слой потери воды на испарение, в мм
где: EВ — потери на испарения с водной поверхности, мм;
ЕС – потери с водоема до его устройство.
Суммарные потери воды.
Объем потери из пруда равен
где Wср— площадь зеркала пруда в га при Vср;
Рабочий объем вместе с мертвым объемом составляет полный объем. К нему соответствует нормальный подпертый уровень (НПУ) т.е.
Кроме того надо иметь форсированный уровень (ФПУ) выше нормального. Объем между НПУ и ФПУ называют регулирующей призмой, где задерживают временные поводковые воды
Рис 8.11 Графическое изображения горизонт воды в прудах.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Источник
Использование подземных вод для орошения
Эти исследования охватывают смежную область мелиорации и традиционного раздела гидрогеологии, занимающегося вопросами поисков, разведки и оценки запасов подземных вод.
Специфика мероприятий но использованию подземных вод для орошения заключается в том, что этот вопрос должен решаться при составлении проекта мелиорации, учитывая различные требования к качеству оросительной воды, влияние отбора подземных вод на речной сток п другие элементы окружающей среды. Далеко не все эти вопросы решены, хотя использование подземных вод для орошения земель аридной зоны имеет многовековую историю.
Использование подземных вод для орошения земель обсуждалось на IV и IX Международных конгрессах но ирригации и дренажу, состоявшихся соответственно в Алжире в 1963 г. и в Москве в 1975 г.
В генеральном докладе М. Битуна обобщены многочисленные сообщения специалистов разных стран. Приведем некоторые выводы из этого доклада:
— в большинстве стран эксплуатируется лишь небольшая часть имеющихся запасов подземных вод. Предпочтение отдается использованию подземных вод для коммунального и промышленного водоснабжения, однако растет их использование и для орошения;
— потребности в воде для орошения определяются, как правило, на основе климатических, почвенных и других факторов и выражаются объемом воды, необходимым в течение периода максимального и среднего водопотребления с учетом принятого коэффициента полезного действия (КПД) оросительной системы. Расчетные потребности в воде должны удовлетворяться в течение 8— 9 лет из 10, КПД оросительной системы может колебаться от 30 до 70%- По этим исходным данным определяется объем отбора подземных вод и конструкция скважин;
— для прогноза режима подземных вод в различных условиях их эксплуатации широко применяется моделирование с использованием ABM и ЭВМ. Применение математических моделей возможно как в условиях, когда сложные физические явления изучены достаточно, так и при отсутствии представлений о механизме явлений. Целесообразно создавать модель в процессе исследований, что позволит избежать сбора ненужных данных. Предпочтительнее создание математических моделей, учитывающих различные варианты эксплуатации, изменение граничных условии и т. д. и этим позволяющих использовать ее и для управления режимом водоносных горизонтов в период эксплуатации;
— частичный отбор подземных вод позволяет освободить объем для аккумулирования их с целью удовлетворения «пиковых» потребностей. Таким образом, правильная эксплуатация ограниченных ресурсов подземных вод в сочетании с поверхностными и использование аккумулирующих возможностей водоносных горизонтов способствуют повышению водообеспеченности оросительных систем;
— необходимы учет снижения производительности скважин в процессе эксплуатации и бурение дополнительных скважин с планированием соответствующих эксплуатационных затрат;
— правильно предусмотренный дренаж и облицовка каналов позволяют уменьшать влияние инфильтрации оросительных вод на изменение качества воды водоносных горизонтов.
Одной из стран, в которых подземные воды широко используются для орошения, является США, где подземными водами орошается около 49% поливных земель.
Использование подземных вод для орошения определяется в основном экономическими соображениями. Например, в штате Луизиана для орошения привлекаются воды р. Вермилион, в засушливые годы, когда поверхностная вода имеет минерализацию 2— 3 г/л, для полива применяют подземные воды.
Несмотря на снижение уровней и увеличение при этом глубины отбора воды стоимость 1 м3 воды не повысилась, так как в связи с техническим прогрессом экономически оправданная глубина подъема воды постепенно увеличивается.
В результате интенсивного отбора подземных вод запасы их во многих орошаемых районах США, по данным Б.С. Маслова и Е.А. Нестерова, близки к полному истощению (южная часть Высоких равнин — штаты Техас и Нью-Мексико; долины Песок и Солт-Флэт в Техасе; Санта-Ана, Антилоп и Файрфилд в Калифорнии и др.). По этой причине в долинах Берегового хребта (район Вентурин, штат Калифорния) произошла интрузия морских вод в водоносный горизонт, что вынудило прекратить работу ряда водозаборных скважин. Одним из мероприятий по борьбе с истощением запасов подземных вод в США является искусственное их восполнение. Эта проблема рассматривается в специальном разделе настоящего труда.
Важным вопросом проблемы использования подземных вод для орошения является пригодность их для этой цели. Неблагоприятное качество оросительной воды может привести к следующим последствиям: оказать непосредственное токсичное влияние на сельскохозяйственные культуры; вызвать засоление или осолонцевание почвы, приводящее к тем же последствиям; снизить водопроницаемость и ухудшить структуру почвы вследствие накопления в ней ионов натрия.
Рассматриваемому вопросу посвящена обширная литература, содержащая весьма противоречивые рекомендации. Это явление закономерно, так как далеко не все авторы при постановке исследований учитывают весь комплекс факторов (общую минерализацию, химический состав воды, степень «сбалансированности» содержания различных ионов, наличие естественной или искусственной дренированности почв, их водно-физические свойства и солевой состав, устойчивость растений по отношению к солям в разные фазы вегетации, климатические условия, применяемый режим орошения и т. д.). Этот вопрос может служить предметом специального обзора. Ограничимся данными лишь по некоторым странам.
В США оросительную воду оценивают в зависимости от электропроводности, минерализации, содержанию в ней натрия и бора. Кроме вредного воздействия на растения, натрий, как известно, ухудшает водно-физические свойства почвы; бор в 100 раз токсичнее хлора; последний в 2 раза токсичнее сульфатов. Классификации подземных вод, используемых для орошения в США, приведены в табл. 12—14.
Вода I класса пригодна для орошения всех культур на всех почвах, вода II класса снижает урожай наиболее чувствительных к солям культур, при применении воды III класса отмечается гибель или снижение урожайности всех культур.
Обзор критериев пригодности воды для орошения, применяемых в США, выполнен Н.К. Бессеребрениковым. Им приведены, в частности, данные Лаборатории но исследованию засоления почв, предлагающей оценивать степень, до которой почвой будет адсорбироваться натрий из воды при равновесном состоянии по показателю SAR — натриево-адсорбционному отношению (ммоль/л).
При SAR менее 10 — опасность осолонцевания почв малая, при 10—18 — средняя, при 18—26 — высокая, при более 26 — очень высокая.
Дополнительный эффект от наличия резервов кальция в почвах учитывается «выверенным» натриевым адсорбционным отношением, используемым некоторыми лабораториями США.
где рКг и рKc — отрицательные логарифмы соответственно второй константы диссоциации угольной кислоты и константы растворимости кальцита; р (Ca + Mg) и рАlк — отрицательные логарифмы мы соответственно молярной концентрации (Ca + Mg) и титрационной щелочности (Alк).
Абсолютные значения слагаемых приведены в табл. 15.
При рНс более 8,4 в почве создаются условия, благоприятные для растворения извести, а при рНс менее 8,4 появляется тенденция к выпадению извести при фильтрации поливной воды.
При SAR менее 6 осолонпевання не ожидается; при 6—9 возможно постепенное накопление солей в почве; при более 9 может произойти осолонцевание почв.
Для предотвращения дисперсии почвы, по рекомендации Бюро мелиорации США, оросительные воды должны содержать не менее 20 мг/л кальция, а норма внесения гипса 90—450 кг на 1230 м поливной воды.
Большое внимание оценке качества оросительной воды уделяется в Индии, где подземными водами поливается 33,7% площади орошаемых земель. Оценка воды производится по минерализации, соотношению содержания натрия с другими катионами, концентрации бикарбоната и содержанию бора. При этом используется также показатель SAR.
Проблема использования подземных вод для орошения является многогранной и включает вопросы прогноза и борьбы с их загрязнением, изучение влияния подземных вод на химический состав речных вод и др.
Наблюдения, проведенные в уезде Долж (CPP) в период 1966—1973 гг., показали, что на орошаемых площадях содержание нитратов в грунтовых водах зависит от количества вносимых минеральных удобрений. Вследствие загрязнения на 10% площади грунтовые воды стали непригодными для поливов, а на 31% они вызвали интенсивное засоление почв.
Аналогичное загрязнение грунтовых вод установлено на орошаемых землях в долине Лас-Вегас в штате Техас (США). Район сложен аллювием, содержащим несколько водоносных горизонтов. На глубинах 76—305 м залегают напорные воды, используемые для орошения и водоснабжения. В период наблюдений (1968—1973 гг.) отмечено интенсивное загрязнение грунтовых вод долины хлором, сульфатами, нитратами и нитритами, прослеженными до глубины 50 м. Для борьбы с загрязнением подземных вод предложено рациональное использование водных ресурсов, дополнительная подача поверхностной воды на орошение и другие мероприятия.
Примером роста минерализации речных вод но мере развития орошения является бассейн р. Колорадо, где сток реки на 40% используется для ирригации. В 1905 г. при площади орошаемых земель в бассейне 364 тыс. га, средневзвешенная минерализация речных вод равнялась 700 мг/л. К 1968 г. при увеличении орошаемой площади до 1,21 млн. га и соответствующем увеличении дренажного стока, среднегодовая минерализация речных вод составила 850 мг/л. По прогнозам Бюро мелиорации США в створе Империал Дам после осуществления всех проектов орошения в 2000 г. минерализация речной воды достигнет 1200 мг/л.
Солевой баланс р. Колорадо следующий. Естественный приток подземных вод, выходы родников, сток фонтанирующих скважин дают 47% поступления солей, возвратные поверхностные и подземные воды — 37%, испарение с поверхности водохранилищ — 12%, экспорт воды хорошего качества за пределы бассейна — 3%, сброс хозяйственных вод— 1%.
Для борьбы с ростом минерализации речных вод, по данным Г. Рэдосевнча и Г. Скогербоя, установлен лимит минерализации речной воды, передаваемой Мексике. Для каждого из штатов Верхнего Колорадо также увеличена максимальная минерализация воды, выносимой за их пределы. Меры борьбы: бетонирование оросительных каналов, строительство дренажа, предотвращающее контакт возвратных вод с засоленной подпочвой. Кроме того, в ближайшее время в штате Юта намечается ввести опреснительную установку производительностью 378 тыс. м3/сут для снижения минерализации сбрасываемых в Колорадо дренажных вод с орошаемых земель.
Борьба с загрязнением подземных и поверхностных вод в орошаемых районах является частью глобальной проблемы охраны окружающей среды. Эта проблема включает следующие основные вопросы: потерю воды в каналах; подпор и подъем уровня грунтовых вод; взаимодействие сооружений (каналов) с окружающей геологической средой.
Для контроля за потерями воды в процессе эксплуатации каналов предложено создание бетонных облицовок, использование пластмассовых, глинистых и бентонитовых покрытий, трубопроводов, лотков и т. д. Подробно разобран механизм засоления почв, возникающий при подпоре грунтовых вод на примере ирригационных систем Пакистана, Афганистана и Египта. Указано на необходимость создания горизонтального и вертикального дренажа и повышения контроля за качеством грунтовых вод. При рассмотрении взаимодействия сооружений с геологической средой особое внимание уделено явлению набухания в глинах, растворению гипса подземными водами, воздействию сульфатов на облицовку каналов, влиянию карстовых полостей на утечку воды.
Для решения вопросов рационального использования водных ресурсов в зарубежной практике широко используется вычислительная техника и математическое моделирование. В некоторых латиноамериканских научных центрах созданы математические модели для исследования природных ресурсов вообще и водных, в частности. Разработаны модели для расчета стока с водосборных площадей, исследования речных систем, управления режимом водохранилищ и т. д.
Оценивая перспективы моделирования, можно выделить новую и весьма обширную область применения вычислительной техники — решение проблемы водораспределения и орошения. Модели, описывающие эти процессы и реализующие их программы, объединены в так называемую группу моделей процессов орошения. В эту группу входят, например, модель выбора оптимального состава культур для данной орошаемой территории, модель комплектования графика гидромодуля, расчеты распределения и подачи воды на орошение.
Рассматриваемая программа расчета этих графиков занимает главное место среди прикладных программ, реализующих группу моделей процесса орошения.
Составление модели дли прогноза минерализации возвратных вод с орошаемых полей и содержания в них питательных веществ было выполнено в Бюро мелиорации США. В работе отмечено, что просачивание воды через почву в процессе полива культур приводит к очень сложным химическим воздействиям. Содержания минеральных и питательных веществ в возвратных водах и в общем стоке в условиях поливного земледелия с трудом поддаются прогнозированию. Для лучшего понимания проблем засоления была необходима математическая прогнозирующая модель. Целью работы было создание модели общего водопользования, с помощью которой можно было бы прогнозировать изменение засоления почв при осуществлении новых ирригационных проектов и минерализацию возвратных вод. Исследование относится к трем районам орошаемого земледелия — Бернал (штат Юта), Гранд-Валли (штат Колорадо) и Гедар-Блафф (штат Канзас). На данных районах проверялась прогнозирующая модель, описывающая качество воды по значению восьми ионов и общую минерализацию. Работа над построением модели показала, что для достижения хорошей имитации условий работы ирригационной системы необходимо хорошее качество и достаточное количество исходной информации и знание гидрогеологических условий района.
В результате исследований составлено специальное руководство, детализирующее последовательные процедуры, необходимые для применения модели к любой ситуации, когда требуется предсказать минерализацию возвратных вод при ирригации. Дана вычислительная программа и подпрограммы анализа данных. Технико-исследовательским центром Бюро мелиорации, совместно с Университетом штата Аризона, разработана модель качества возвратных вод. Модель использует большое число сложных подпрограмм для имитации ненасыщенного одномерного потока, двухмерного насыщенного потока к дренам, потребления воды растениями, преобразования азота, усвоения азота растениями, выпадения из раствора извести и гипса, спаривания ионов, ионного обмена и др. Подпрограммы разграничены, чтобы можно было предсказать неустановившееся и установившееся движение солен и азота с поверхности почвы в дрены. Эту модель можно соединить с моделью общего водопользования и обеспечить широкие возможности имитации водных бассейнов.
Кроме того, Университетом в штате Юта была разработана модель полевых испытаний для прогноза водного и солевого режима в почве в период между поступлением поливной воды и выходом воды в дрены или испарением и транспирацией. Развитие ее привело к созданию «упрощенной» и «детальной» моделей. Упрощенная модель предназначена для управления поливом, она требует минимума исходных данных и позволяет рассматривать в широком диапазоне факторы, влияющие на качество возвратных вод. Детальная модель базировалась на известных физических принципах и законах, управляющих движением воды через ненасыщенные почвы. Результаты исследований показали, что контроль за состоянием почвы требует точного контроля за водой в хозяйстве, особенно за глубиной промачивания и временем полива.
Модель была проверена в районе Вернал долины Эшлей-Валли, где ирригация началась почти сто лет назад. Установлено, что модель прогноза минерализации возвратных вод удовлетворительно имитирует наблюдаемые величины. Результаты использования описанной модели приведены также для областей Гедар-Блафф и Гранд-Валли.
Источник
