Геоинформационный мониторинг и прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья

Актуальность работы. В Нижнем Поволжье в результате широкой ирригации, развернутой во второй половине XX века, и сокращения площадей регулярного орошения после 1990 гг. дважды происходило резкое изменение водного баланса значительных территорий.

Увеличение приходной части водного баланса при орошении значительных территорий региона вызвало развитие многих деградационных процессов. Среди них наибольший вред был нанесен подъемом уровня грунтовых вод, вторичным засолением и осолонцеванием. Спустя тридцать лет после начала широкой ирригации, доля мелиоративно неблагополучных земель возросла до 26,9% в Саратовской области и до 20,8% - в Волгоградской. Грунтовые воды поднялись до глубины менее 2 м в Саратовской области на площади -14,0, Волгоградской -7,9, Астраханской — 6,5 тыс. гектар. Площадь засоленных земель составила 13,9- 37,5- 30,7 тыс. гектар. Все эти негативные процессы обусловили недостаточную продуктивность орошаемых агроланд-шафтов региона и низкую стабильность производства растениеводческой продукции на них. Поэтому в 1980;90-х годах значительная часть деградированных орошаемых земель была списана и перешла в разряд неорошаемых или выведенных из сельскохозяйственного оборота. Последующий характер происходящих в них почвенно-мелиоративных процессов не изучен.

Одна из основных причин ухудшения мелиоративного состояния орошаемых агроландшафтов региона кроется в низкой обоснованности проектных решений строительства большинства оросительных систем, введенных в эксплуатацию во второй половине XX века, вследствие отсутствия или низкого качества прогнозирования на основе математического моделирования водно-солевого режима орошаемых земель. Математические модели, адекватно описывающие данный процесс, были разработаны позднее JI.M. Рексом и A.M. Якиревичем (1981), Я. А. Пачепским, Е. Мироненко и P.A.

Шестаковым (1983), Р. Феддесом (1978). Однако для их практического использования крайне недостаточной была изученность физических свойств и параметров миграции влаги и солей для зональных почв. Не менее важной причиной роста площадей мелиоративно неблагополучных земель была слабая обоснованность эксплуатационных режимов орошения результатами мониторинга мелиоративного состояния земель. При этом негативную роль играла устаревшая система мониторинга солевого режима, базирующаяся на использовании устаревших бумажных носителей географически непривязанной информации, в которой отсутствовал долговременный прогноз изменения уровня грунтовых вод и засоления.

В связи с этим весьма актуальной проблемой для науки и практики является экспериментальное изучение физических свойств и процессов влаго-солепереноса в зональных почвах, обеспечивающих возможность его моделирования и повышения точности прогноза водного и солевого режима и совершенствование системы его мониторинга.

Целью диссертационной работы являлось прогнозирование мелиоративного состояния темно-каштановых почв Нижнего Поволжья на основе совершенствования мониторинга водно-солевого режима и разработки базы данных и знаний для его моделирования.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

1) разработать концепцию мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;

2) изучить водно-солевой режим на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;

3) разработать программные средства для построения функции влаго-проводности и экспериментально определить параметры: фильтрационные, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв Нижнего Поволжья;

4) выполнить моделирование водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;

5) разработать базу данных и структуру базы знаний для моделирования влагои солепереноса;

6) разработать метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования.

Методы исследований. В работе использовались теоретические методы исследования — математическое моделирование, системный анализ, геоинформационное моделирование и геоинформационный анализ, математическая статистика и экспериментальные методы — полевые и лабораторные опыты по изучению фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв, изменения водно-солевого режима мелиорированных территорий после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования.

Объекты исследований: орошаемые темно-каштановые почвы: авто-морфные, гидроморфные, неосолонцованные, осолонцованные, трещиноватые, нетрещиноватыемелиоративно неблагополучные длительно орошавшиеся земли, на которых было прекращено орошение, находящиеся в сельскохозяйственном использовании, и выведенные из категории пахотных.

Предмет исследований: процесс влагосолепереноса.

Научная новизна состоит в том, что: впервые разработаны концепция геоинформационного мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья и метод прогнозирования солевого режима почв, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделированияопределены значения фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ для орошаемых темно-каштановых почвустановлены закономерности изменения: солевого режима мелиоративно неблагополучных мелиорированных земель после прекращения орошения и сельскохозяйственного использования, значений фильтрационных параметров, гидрофизических функций и миграции растворенных веществ под влиянием искусственного гидромор-физма и осолонцеваниясоздана база данных и структура базы знаний для моделирования солепереноса.

Положения, выносимые на защиту:

— концепция мониторинга солевого режима мелиорированных земель Нижнего Поволжья;

— закономерности изменения водно-солевого режима на мелиорированных территориях после уменьшения водоподачи, прекращения орошения и сельскохозяйственного использования;

— экспериментально определенные значения комплекса параметров, необходимых для моделирования влагои солепереноса, — гидрофизических функций, фильтрационных свойств почв и подстилающих пород с различной выраженностью трещиноватости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвах;

— база данных и структура базы знаний для моделирования влагои солепереноса;

— результаты моделирования водно-солевого режима почв мелиорированных земель, характеризующихся различными эколого-мелиоративными условиями;

— метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретический вклад работы заключается в выявлении закономерностей солевого режима длительно орошавшихся темно-каштановых почв в результате изменения водного баланса мелиорированных территорий Нижнего Поволжья из-за уменьшения или прекращения водоподачиопределении основных гидрофизических свойств и параметров, определяющих влагосолеперенос в региональных почвах, и установлении закономерностей их трансформации под влиянием мелиоративно неблагополучных процессовразработке метода ГИС-прогнозирования солевого режима почв.

Практическая значимость заключается в том, что использование для моделирования солевого режима темно-каштановых почв базы данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров и параметров миграции растворенных веществ почв, закономерностей их изменения в процессе техногенеза повысит качество прогнозирования солевого режима и обоснованность принимаемых проектных решений строительства и реконструкции оросительных систем в регионе. Внедрение предлагаемой системы мониторинга солевого режима обеспечит сохранение благоприятного эколого-мелиоративного состояния поливных агроландшафтов Нижнего Поволжья за счет предотвращения негативных процессов подъема уровня грунтовых вод и засоления.

Достоверность полученных результатов, разработанных положений и выводов подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного с применением утвержденных ГОСТовприменением современных методов математической обработки результатов исследований с использованием ЭВМхорошим соответствием между расчетными и экспериментальными данными, подтвержденным методами математической статистики.

Личный вклад автора. Научные разработки, составляющие суть данной работы (научная гипотеза, постановка целей и задач исследований, выбор путей их теоретического и экспериментального решения, проведение экспериментальных исследований, решение дифференциального уравнения влагопереноса, алгоритм и программа для расчета коэффициентов влагопро-водности и результаты расчетов по определению значений параметров миграции влаги и солей в почвах исследуемого региона, анализ полученных результатов, выводы и предложения производству), выполнены лично автором.

Реализация результатов исследований. Геоинформационный мониторинг солевого режима орошаемых почв внедрен на поливных землях ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области площадью 1665 га и на орошаемых и богарных землях ЗАО «Новое» Энгельсского района Саратовской области на площади 2500 га с экономическим эффектом от повышения качества управления плодородием орошаемых земель соответственно 920 и 820 руб./га. Внедрение программных средств прогнозирования солевого режима в Саратовской гидромелиоративной партии при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз» на площади 257,3 тыс. га снизило трудовые и материальные затраты на проведение полевых работ и обработку данных химических анализов с суммарным экономическим эффектом 112 тыс. руб. в год.

Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2003) — «Агроэколо-гические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005) — «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005) — «100-летие мелиоративной науки в России, 85-летие ВНИИГиМ» (Москва, 2009) — международном совещании, посвященном 10-летию Саратовского филиала ИПЭЭ им. А. Н. Северцова РАН (Саратов, 2005) — всероссийских научно-практических конференциях, посвященных 117, 118, 119, 120-летию со дня рождения H.H. Вавилова (Саратов, 2004;2007), всероссийских научных конференциях «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» и «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, 2003, 2005) — Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летию Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино, 2010) — научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н. И. Вавилова (Саратов, 2001;2011) — конференции, посвященной 40-летию ФГНУ.

ВолжНИИГиМ (Саратов, 2006) — 4 и 6 Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009 и 2011).

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, из них 2 монографии, 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 39 статей в сборниках научных работ, в том числе по материалам международных и всероссийских научно-технических конференций. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 46 п.л., из них доля автора — 18 п.л.

выводы.

1. Кардинальное повышение качества использования мелиорированных земель возможно только на основе создания современного мониторинга водного и солевого режима почв, обязательными функциями которого наряду с наблюдениями за их состоянием станет прогноз изменения и выработка рекомендаций по регулированию мелиоративного состояния. Концептуальной методологической основой создания и ведения такого мониторинга является его структура общей информационной системы, в которой должны быть выделены три группы компонентов: средства получения данныхинформационная база (базы данных и знаний, цифровая карта) и блок поддержки принятия решений или блок анализа (математические модели влагои солеперено-са, средства анализа и визуализации данных, экспертные системы).

2. Общая информационная система мониторинга солевого режима орошаемых земель должна разрабатываться как геоинформационная модель солевого режима, учитывающая параметры его состояния в разные моменты времени и в их пространственной взаимосвязи. Основными компонентами геоинформационной модели являются: база данных, предназначенных для прогнозирования солевого режимапрограммы для определения параметров водного и солевого режимасредства прогнозирования солевого режимакомпьютерные реализации математических моделей влагои солепереноса.

3. Результаты мониторинга показали, что изменение солевого режима темно-каштановых длительно орошавшихся почв происходит не только под влиянием смены характера их дальнейшего использования, сопровождавшейся уменьшением приходной части водного баланса мелиорированных территорий, но также степени их дренированности и весеннего снеготаяния, определяющими водный режим почв и подстилающих пород.

— При снижении водоподачи на 50% на орошаемых землях, характеризовавшихся в 1986 г. отсутствием засоления, при весьма слабой дренированности уровень грунтовых вод остался на прежней глубине и они продолжали участвовать во влагообмене корнеобитаемого слоя, в результате чего к 2006 г. содержание токсичных солей по всему метровому почвенному профилю увеличилось с 0,036 до 0,176%. Наибольшее увеличение токсичных солей произошло в подпахотных слоях, пахотный горизонт благодаря поливам остался незаселенным.

— При прекращении в 1991 г. орошения остающихся в сельскохозяйственном обороте слабозасоленных в пахотном горизонте почв, на фоне слабой дренированности территории к 2005 г. уровень грунтовых вод понизился на 1,0−1,5 м, наметилась тенденция снижения содержания токсичных солей в 030 см слое с 0,162-Ю, 196% до 0,044-Ю, 029% и произошло значительное перераспределение ионов по почвенному профилю, вследствие которого наибольшая их концентрация сместилась из пахотного горизонта во второй полуметр.

— При выведении земель из категории пахотных, при снижении уровня грунтовых вод за 15 лет на фоне слабой дренированности территории на 1,01,5 м, тем не менее исключившем их участие в водном режиме корнеобитаемого слоя, произошло увеличение содержания токсичных солей во втором полуметре и уменьшение в верхнем полуметровом слое, в результате чего он перешел из среднезасоленного в незаселенный и из сильно в среднезасолен-ный. При очень слабой дренированности и продолжающемся участии грунтовых вод в водном режиме корнеобитаемого слоя процесс засоления за 20 лет, напротив, прогрессировал: содержание токсичных солей в метровом слое увеличилось с 0,166 до 0,320%.

4. Экспериментально установлены значения параметров основной гидрофизической характеристики и функции влагопроводности террасовых темно-каштановых почв, рассчитанные по разработанной методике и программе, зарегистрированной в Государственном реестре программ РФ. Доказано, что они существенно трансформируются при изменении типа водного питания и состава почвенно-поглощающего комплекса.

— С уменьшением относительной влажности от 1,0 до 0,1 значения коэффициентов влагопроводности гидроморфных почв уменьшаются на 2 порядка с 0,001 до 10~5 м/сут, у автоморфных — на 3 порядка с 0,1 до 10~4 м/сут, что объясняется реорганизацией структуры порового пространства, обусловленной изменением плотности и характера распределения пор.

— При влажности, близкой к полной влагоемкости, в осолонцованной почве коэффициент влагопроводности на 3 порядка больше по сравнению с не-осолонцованной почвой. Диапазон доступной влаги у осолонцованной почвы составляет 4,4% против 17,5% от объема почвы для неосолонцованной почвы.

5. Экспериментально доказано, что наличие трещиноватости увеличивает скорость движения влаги — максимальные значения скорости движения влаги составляют 0,21 для трещиноватых и 0,03 м/сут для нетрещиноватых почв, различаясь на порядок с 0,1% уровнем значимости.

Зависимость коэффициента влагопроводности от объемной влажности для трещиноватых темно-каштановых почв, полученная объединением данных о движении влаги при влажности, близкой к полной влагоемкости, полученных методом промывки монолитов, с данными эксперимента на капилля-риметре, описывается экспоненциальной зависимостью.

If — &bdquo—ОД56 202 +11,9030−225,32 о л. — е с уровнем достоверности R = 0,997.

6. Экспериментально доказано, что солеперенос в нетрещиноватых почвах лучше описывается уравнением конвективной диффузии, в трещиноватых почвах — модифицированным уравнением конвективной диффузии, учитывающим обмен солями между транзитными порами и остальной частью порового пространства.

Установлены параметры миграции солей: для нетрещиноватых почв коэффициент конвективной диффузии D = 2 • 10″ 4 -н 5,5 • 10″ 4 м /сут, для почв с.

3 2 выраженной трещиноватостью D = 3 10″ м /сут.

7. Адаптация модели SWAP на основе сравнения результатов моделирования солевого режима длительно орошавшихся почв, выведенных из орошения и разряда пахотных за период 1986 — 2005 гг., с данными полевых об.

250 следований, показала пригодность модели для прогнозирования засоления-рассоления почв в эколого-мелиоративных условиях Саратовского Заволжья, что доказывается хорошей сходимостью между расчетными и фактическими данными.

Применение для моделирования водно-солевого режима вторично осо-лонцованных почв полученной в диссертации функции влагопроводности для трещиноватых почв существенно повысило точность расчета. Стандартная ошибка оценки составила 0,077% солей, коэффициент Тейла — 0,11 против 0,125% солей, коэффициента Тейла — 0,21 без применения данной функции.

8. Для моделирования влагои солепереноса в среде Microsoft Access разработана база данных, включающая реляционные таблицы: «Объекты», «Профили», «Гидрофизика», «Солеперенос», «Агрокалендарь», «Метеоданные», «Биоклимкоэффициенты», «Вытяжка», «Водная физика», в которых предусмотрены специальные кодовые поля для связи с объектами слоев цифровой карты контролируемой территории, обеспечивающей пространственную привязку объектов и профилей и пространственно-обусловленный отбор информации для моделирования.

Для базы знаний прогнозирования солевого режима выбрано процедурное представление, при этом правила решения каждой отдельной проблемы (модели решения) записываются в реляционной таблице «Правила», для обработки которой применяются запросы Microsoft Access, что позволяет добиться большего универсализма базы знаний и обеспечить возможность ее переноса на более поздние версии базовой СУБД.

9. Разработан метод прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв Нижнего Поволжья, основанный на совместном применении геоинформационных технологий и математического моделирования. Его основу составляет алгоритм создания объединенной цифровой модели орошаемого массива, являющейся наиболее адекватным его отображением с точки зрения моделируемых процессов влагои солепереноса. Результаты моделирования транспорта влаги и солей, проведенного для каждой опера-ционно-территориальной единицы, представляют собой совокупность пространственно привязанных значений, которые с помощью интерполяции распространяются на всю поливную территорию.

10. Применение разработанного метода прогнозирования солевого режима почв за счет уменьшения рисков засоления поливных земель и снижения их продуктивности обеспечивает для условий Саратовского Заволжья чистый дисконтированный доход 21 тыс. руб./га при индексе доходности затрат 2,48 и сроке окупаемости инвестиций 8 лет.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

Информационную систему мониторинга мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель Нижнего Поволжья рекомендуется разрабатывать как геоинформационную объектно-ориентированную модель солевого режима почв.

Для повышения качества и экологической обоснованности проектов строительства и реконструкции орошаемых участков Нижнего Поволжья рекомендуется использовать при долгосрочном прогнозировании изменений солевого режима темно-каштановых почв разработанную базу данных экспериментально определенных параметров гидрофизических функций, фильтрационных параметров почвогрунтов с различной выраженностью трещинова-тости и параметров миграции растворенных веществ в трещиноватых и нетрещиноватых почвогрунтах.