06.01.02 МЕЛИОРАЦИЯ, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ И ОХРАНАЗЕМЕЛЬ
Представлена автоматизированная информационно-коммуникационная система (АИКС) для Нечерноземной зоны РФ. Система позволяет оперативно получать информацию о ее внешних и внутренних параметрах и с помощью пользователя реагировать на изменения, происходящие в агроэкосистеме, оценивать ее энергетическое состояние и продуктивность. Цель автоматизации связана с необходимостью интенсификации использования сельскохозяйственных земель Нечерноземной зоны, в том числе вовлечения в оборот неиспользуемых земель, разработки инновационно-адаптивных технологий повышения урожайности сельскохозяйственных культур, плодородия почвы и наращивания потенциала агропроизводства. При создании АИКС использовались QGIS – дружественная к пользователю географическая информационная система (ГИС, а также расчетные таблицы Microsoft Excel. Это обеспечивает возможность пополнения, хранения и обработки исходных данных, проведения оценки фактической и потенциальной продуктивности сельхозугодий, принятия решений по выбору необходимых мелиоративных и агротехнических мероприятий для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и плодородия почвы, а также устойчивости использования сельскохозяйственных угодий. Тестирование системы выполнено на конкретном сельскохозяйственном объекте, расположенном в ООО «Веселый Агроном» Московской области. Использование автоматизированной системы показало, что почва рассматриваемого объекта имеет агрохимические показатели выше средних по Московской области, а фактическая продуктивность составляет 2,19 против 1,57 т з. ед/га в среднем по области. Вместе с тем при точном регулировании агрохимических параметров можно увеличить продукционный потенциал до 3,45 т з. ед/га.
Рассмотрена проблема построения системы управления плодородием мелиорируемых земель. Констатируется, что возможными причинами неудачного приумножения в плодородия являются не только неполная формулировка понятия плодородия в законах, но и отсутствие эффективных инструментов оценки органического вещества в почве. Рассматриваются возможности и некоторые эксперименты по использованию рентгеновского микроскопа для оценки органического вещества почвы. Обсуждены методические вопросы подготовки образцов для исследования, устанавливается возможность определения биомассы почвенного биотического сообщества по результатам рентгеноскопии почвенного образца. Анализ рентгеновских снимков торфяных почв показал возможность определения в образце органического вещества (48%), воды (30%), воздуха (20%), минеральных частиц (менее 2%). Появилась возможность проанализировать объем ризосферы корня растения, пространства, в котором происходят основные процессы подготовки почвенной биотой питательного «субстрата» для растения. Учитывая то, что рентгеновское излучение данного микроскопа не повреждает живые ткани, предположительно можно наблюдать динамику изменения ризосферы, таким образом визуализируя процессы изменения актуального плодородия во времени. Обсуждены перспективы использования этой методологии для мелиоративных исследований, связанных с управлением плодородием мелиорируемых земель в рамках концепции развития точного мелиоративного регулирования факторов внешней среды, в сферу которого входят не только растение, но и почвенная биота. Предполагается, что рассмотренная методология может быть использована для управления (минимизации) «углеродного следа» при мелиорации земель.
В статье рассмотрены вопросы обводнения отгонных пастбищ путем опреснения минерализованных дренажно-сбросных и подземных вод в целях питьевого водоснабжения. Приведены методы совершенствования технологических схем утилизации рассолов после опреснения с целью сокращения его объемов и получения товарных солей. Удельные капитальные затраты для варианта обратноосмотической установки составляют: Кс = 1202 руб/м3. Несмотря на более высокие удельные показатели, наиболее приемлемым вариантом является использование мобильной обратноосмотической установки для опреснения воды и питьевого водоснабжения летних отгонных пастбищ. В этом случае объем питьевой воды для чабанских бригад опресняется путем поочередного объезда водопойных пунктов и опреснения на мобильной опреснительной установке. Испытания обратноосмотического аппарата на природных подземных водах сульфатно-хлоридно-натриевого и сульфатно-карбонатно-натриевого типов показали достаточно надежный и устойчивый режим опреснения при смене напора и соотношения объемов пермеата и концентрата при различной кратности концентрирования исходной воды. При увеличении минерализации исходной воды от 3,5 до 7 г/л и соответственном увеличении давления минерализация пермеата находится в допустимых пределах (до 1 г/л), а объем опресненной воды со временем снижается на 2-5% (предельное значение – 15%). Применение предлагаемой технологической схемы позволит обеспечить доброкачественной питьевой водой чабанские бригады на летних отгонных пастбищах и утилизировать получаемые при опреснении рассолы, не допуская загрязнения окружающей среды. Схема может использоваться и при организации массового перегона животных по скотопрогонным трассам на сезонные летние отгонные пастбища и в других аридных зонах Казахстана.
Цель работы – определить зависимость, которая позволяет упростить определение вероятности необходимости орошения в зависимости от параметров почвенной неоднородности в мезомасштабе. Это позволит осуществлять районирование территорий с учетом разных ландшафтных уровней. Получена функция, определяющая вероятность необходимости орошения в зависимости от среднемноголетних влагозапасов. В диапазоне от влажности завядания до полной влагоемкости эта функция (с точностью 5%) является линейной. Орошение почв позволяет создать оптимальные условия выращивания растений, но появляется ряд негативных последствий, в том числе изменяются условия почвообразования, при которых снижается плодородие почв. При орошении необходимо учитывать разнообразие условий, которые определяются почвенной неоднородностью и стохастичностью погодных условий. Поэтому требуется количественное обоснование необходимости орошения с учетом разных по масштабу ландшафтных элементов: макро-, мезои микроуровни (точная мелиорация). Обоснование базируется на сопоставлении требований растений с условиями среды. Степень их соответствия определяет вероятность необходимости орошения, которая для одной и той же культуры изменяется в зависимости от почвенной неоднородности. Подобрана S-образная кривая, аппроксимирующая интегральную кривую распределения, которая позволяет для заданного уровня продуктивности сельскохозяйственных культур, по величине среднемноголетних почвенных влагозапасов и их среднеквадратическому отклонению, определить вероятность необходимости орошения. Мезонеоднородность почвенных влагозапасов приводит к изменению вероятности необходимости орошения на 10-53% для одной и той же культуры, меньшие значения соответствуют влаголюбивым культурам.
Цель исследований – разработать способ определения необходимого для проведения капельного полива каждого дерева в плодовом саду количества капельниц и произвести оценку схем их расположения в зоне питания плодовых культур. При разработке способа были приняты следующие критерии: доля увлажняемой площади от площади питания должна соответствовать потребностям выращиваемой культуры, количество капельниц должно определяться для каждого дерева в саду, расстояние между капельным водовыпуском и штамбом дерева должно составлять не менее 0,2 м. В результате исследований предложена многофакторная зависимость для определения необходимого количества капельниц, которая учитывает вид сельскохозяйственной культуры, климатические условия, параметры схемы посадки культуры, требуемую глубину увлажнения почвы и почвенные характеристики садового участка. С использованием предложенного способа был произведен расчет параметров капельного поливного модуля для трех вариантов схем посадки яблоневого сада: 4,0 × 1,5 м; 4,0 × 2,0 м; 5,0 × 3,0 м – на легких, средних и тяжелых по механическому составу почвах. В результате расчета установлено, что в рассмотренных сочетаниях почвенных условий и схем посадки культур потребуется от 2 до 12 капельниц для каждого дерева. По результатам расчета можно констатировать, что в рассмотренных условиях однониточный поливной модуль не может сформировать зону увлажнения, площадь горизонтальной проекции которой соответствует потребностям яблоневых садов. В 8 из 9 рассмотренных сочетаний предпочтительным является использование двухниточного поливного модуля. Следует также отметить, что на легких почвах при максимальной из рассмотренных площади питания (схема посадки 5,0 × 3,0 м) двухниточный поливной модуль не может сформировать в почвенном пространстве зону увлажнения с требуемой площадью. В этом случае необходимо применять поливные модули, предусматривающие использование специальных поливных устройств или размещение капельниц на отводах от основного трубопровода.
Российские и зарубежные исследователи накопили значительный опыт конструирования различного типа дождевателей и распыливателей, работающих как на широкозахватной дождевальной технике, так и при проливе клумб и газонов. В основу выбора конструктивных параметров и режимов работы, как правило, легли экспериментальные исследования. Полученные на основе этого зависимости были характерны для конкретных условий эксплуатации, режимов работы и самих конструктивных исполнений дождевателей. До этого времени не сложилась обобщенная методика расчета, а следовательно, и четкие рекомендации по применимости дождевателей в различных условиях. Целью исследований является моделирование движения воды во вращающихся дождевателях для оптимизации конструктивных параметров и режимов их работы. Cмоделирован процесс взаимодействия потока воды с элементами дождевателя, имеющего вращающийся дефлектор. Представлено влияние расхода жидкости на размеры капель. Увеличение расхода жидкости приводит к возрастанию медианного диаметра капель, что объясняется возрастанием толщины жидкой пленки, сходящей с дефлектора. Плотность орошения можно регулировать шириной и числом канавок на дефлекторе, а размер орошаемой поверхности – высотой канавок и углом раствора. Траектория канавок на дефлекторе оказывает существенное влияние на формирование скорости и траекторию полета капель воды. Анализ показывает, что наибольшую скорость приобретает вода при выходе с вращающегося дефлектора, имеющего канавки размером 3-5 мм при расходе 2-3,5 л/с и мелкие канавки 1,5-2,5 мм, занимающие площадь всего дефлектора при малом расходе до 2 л/с. Проведенные исследования позволили смоделировать процесс взаимодействия потока воды с конструктивными элементами дождевателя и разработать обобщенный метод расчета. Полученные зависимости и значения приведенных параметров использовались при проектировании номенклатурного ряда дождевателей для широкозахватных дождевальных машин.
Цель исследований - дать характеристику степени континентальности климата и негативных климатических явлений, включающих в себя засухи, суховеи, пыльные бури и заморозки, по природно-сельскохозяйственным горным районам бассейна Саны. Негативные климатические явления оказывают губительное воздействие на продуктивность сельскохозяйственных культур, общую биологическую продуктивность богарного земледелия при определенном уровне сельскохозяйственного производства. Получены данные, которые наряду с оценкой термических и световых ресурсов позволили определять специализацию производства, продуктивность сельскохозяйственный культур, общую биологическую продуктивность богарного земледелия при определенном уровне сельскохозяйственного производства, особенности агротехнических, водных, химических, противоэрозионных мелиораций, объем и качество сельскохозяйственной продукции, производственные затраты.
05.23.07 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕСТРОИТЕЛЬСТВО
Представлены результаты лабораторных исследований водозаборных сооружений инженерно-экологического типа с устройствами, предотвращающими попадание рыб в окна водозабора. При их работе в зоне водозабора создаются оптимальные гидравлические условия, способствующие гарантированному рыбоотведению. Были исследованы три варианта защитного устройства: одиночные оголовки цилиндрического и бычкового типов, а также конструкция с серией из пяти оголовков бычкового типа, устанавливаемых наклонно по направлению движения потока. Исследования влияния гидравлической структуры и гидродинамических характеристик потока на попадание рыб в водозабор выполнялись в зеркальном лотке при изменении величины водоотбора в пределах 17…52 л/с. В экспериментах участвовала молодь разных пород размером 35…45 мм. Кинематика оказалась частично ожидаемой: при увеличении водоотбора степень концентрации потока увеличивалась. Эксперименты показали, что при устройстве серии водозаборных оголовков возможность попадания рыбы в зону водозаборных окон возрастает по сравнению с установкой одиночных оголовков. При размещении одиночных оголовков максимальная отрицательная скорость в зоне водозаборного окна и расстояния, на котором они наблюдаются за бычковым оголовком, существенно выше. В результате анализа гидробиологических исследований установлено, что способность рыб покинуть зону влияния водозабора резко снижается при возрастании величины водоотбора (исход III). При одиночном цилиндрическом оголовке интенсивность пульсации давления примерно на 18% больше, чем при бычковом оголовке. Серия водозаборных оголовков, расположенных наклонно в шахматном порядке, обладает более высокими рыбозащитными свойствами.
На расчет режимов выдерживания бетона и разработку математических моделей большое влияние оказывает температурное поле в бетоне облицовок каналов. Задача сводится к решению нелинейного уравнения теплопроводности, учитывающего экзотермические тепловыделения бетона, фазовое превращение влаги, переменные по времени граничные условия, позволяющие учесть воздействие на бетон внешней среды в процессе укладки и ухода за ним. Переменные теплофизические коэффициенты позволяют учесть неоднородность среды (в случае укладки бетона на грунт) и изменение агрегатного состояния вещества при достижении температуры фазового превращения. Поскольку получить аналитическое решение в общем виде невозможно, Используется численный метод решения, основанный на сочетании конечно-разностного решения с методом расчета тепловыделений и прочности бетона по соответствующим полям изотермических кривых, полученных экспериментальным путем. При построении разностной схемы используется интегро-интерполяционный метод (метод баланса), основанный на законе сохранения тепла. Для протяженного тела достаточно больших размеров. Процесс переноса тепла в нем принимается линейным, а система координат с центром – на оси тела. Представленная математическая модель тепловых процессов в системе «Бетон-грунт» позволяет прогнозировать режимы выдержки монолитного бетона для достижения необходимых технологических требований, а также применять наиболее экономичные режимы.
Рассмотрены вопросы целесообразности дальнейшей эксплуатации гидротехнического сооружения как в составе гидромелиоративного комплекса, так и при утрате хозяйственного назначения. Перечислены ситуации, при которых эксплуатация сооружения может быть нецелесообразной. Установлено, что в ряде случаев утрата хозяйственного назначения и неудовлетворительный уровень безопасности не могут служить основанием для ликвидации сооружения. Пруд или водохранилище, расположенные в верхнем бьефе ГТС и в силу различных причин не являющиеся частью мелиоративного комплекса, за время эксплуатации становятся элементом местной экологической системы, нарушение которой может быть нежелательным. Такие сооружения играют роль противопожарного водоема как в населенных пунктах, так и на пожароопасной территории, становятся объектом рекреации и т.д. В данном случае речь идет о перепрофилировании искусственного водного объекта. Окончательное решение проблемы, как правило, требует предварительного анализа обосновывающих материалов, включающих в себя технические, экономические и экологические изыскания, а также учета социальных требований местного населения. Приведены примеры решений о консервации/ликвидации или причинах дальнейшей эксплуатации гидротехнических сооружений Примеры взяты из работ отдела гидротехники и гидравлики и лаборатории безопасности ГТС гидромелиоративного комплекса ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, в том числе по декларированию безопасности гидротехнических сооружений.
05.23.16 ГИДРАВЛИКА ИИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ
В статье раскрывается глобальность проблемы не только сохранения водных ресурсов, но и поиска путей их возобновления. Обоснована значимость снижения влияния человеческого фактора на состояние водных объектов, граничащих с урбанизированными пространствами. Целью исследований явилось обоснование концепции гармонизации урбанизированных территорий и малых водных объектов путем восстановления природной идентичности окружающей среды во взаимосвязи триады «Технологии-техника-цифровизация». Для решения проблемы предложено перевести исследования в научно-теоретическую плоскость, применив предикатную аналитику, риск-анализ и IT-технологии моделирования цифровых двойников среды обитания. Отмечается, что современные технологии позволяют учесть факторные риски и откорректировать управленческие решения для получения планируемого результата по восстановлению экоидентичности отдельно взятого водного объекта, а в итоге – всего урбанизированного комплекса для устойчивого существования на долгосрочном временном периоде. Рассмотрение водных объектов проводится с позиций теории объектно-компонентного моделирования взаимосвязи триады «Технологии-техника-цифровизация». Выполнено объектное описание в архитектурной схеме маргинальной и акцентируемой характеристики системных компонентов влияния. Представлена инфограмма взаимосвязи триады «Технологии-техника-цифровизация» в системе поддержания природной идентичности в полном жизненном цикле водных объектов. Обосновано применение комплексного подхода, включающего в себя как технологии постоянного контроля за водным объектом и прибрежными территориями, так и оптимизацию выбора технических средств очистки и сбора мусора. В предлагаемой схеме технологический цикл контроля чистоты водного объекта и прибрежной зоны реализуется комплексом технических средств, комплектуемых по модульному принципу на основе функциональной модели, представленной в модальном формате.
Цель исследований – оценка межгодовой изменчивости элементов водного баланса рек Калининградской области за период 1953-2020 гг. на примере реки Анграпы. Средняя годовая температура воздуха и сумма осадков были определены методом средневзвешенного по семи метеостанциям на территории бассейна. В качестве базовой была принята метеостанция Озерск (из российских пунктов) с наибольшим коэффициентом корреляции (r = 0,983). Данные о средних годовых расходах воды были взяты по гидропосту реки Анграпы в деревне Берестово. Отсутствующие значения расхода восстановлены по рекам-аналогам. По линейному тренду отмечается снижение среднегодового стока на 20 мм за 120 лет. За рассматриваемый период (1953-2020 гг.) линейный тренд годовых сумм осадков показал рост на 21 мм, слой годового испарения увеличился на 82 мм. Величины годового слоя стока, слоя суммарного испарения и влагозапасы в бассейне синхронно следуют за изменением слоя осадков как во влажные, так и в засушливые периоды. Расчеты водного баланса бассейна за последние 10 лет показали уменьшение среднегодовых расходов на фоне увеличения осадков и суммарного испарения.
Цель исследований – выявление современного состояния и многолетних изменений гидрохимии Павловского водохранилища, позволяющих в дальнейшем разработать программы его экологического оздоровления. Представлен анализ исследований современного состояния и многолетних изменений гидрохимии (содержание химических элементов в воде) Павловского водохранилища по 10 химическим показателям в 7 створах. Изучены факторы, формирующие и изменяющие гидрохимию Павловского водохранилища. Выявлено, что на протяжении водохранилища, от его начала до верхнего бьефа, уменьшается содержание в воде Sr2+, Mn2+ и нефтепродуктов; увеличивается содержание Zn2+, Hg2+, фенолов и органических веществ; равномерно распределяются Feобщ (Fe2+ + Fe3+), Робщ. (по PO43-), Cu2+. Долгосрочная тенденция уменьшения содержания химических элементов в воде отмечена для Fe, Mn2+, нефтепродуктов, фенолов, ХПК; тенденция повышения отмечается для Робщий, Cu2+, Zn2+, фенолов. Установлена связь среднегодового содержания химических элементов в воде со значениями среднегодовых притоков. На основе полученных результатов выделены приоритетные пути улучшения гидрохимии Павловского водохранилища.
Цель исследований – оценка современного технического состояния основного магистрального канала Сарпинской обводнительно-оросительной системы, а также определение его гидравлических характеристик на основании данных натурных обследований. В качестве топоосновы для изучения трассы магистрального канала ВР-1 обводнительно-оросительной системы была использована интерактивная карта изученности территории РФ ФГБУ «Росгеолфонд», а также данные спутниковых карт. Материалами для изучения параметров оросительных каналов и гидротехнических сооружений рассматриваемой системы послужили технические отчеты Сарпинского филиала ФГБУ «Управление «Калммелиоводхоз», а также паспорта магистральных и межхозяйственных каналов системы ВР-1 и «Обводной». Техническое состояние канала и гидротехнических сооружений оценивалось в соответствии с ГОСТ 31937-2011. В результате оценки современного состояния отдельных участков магистрального канала ВР-1 и гидротехнических сооружений Сарпинской обводнительно-оросительной системы установлено, что некоторые из обследованных объектов требуют проведения ремонтов по восстановлению дамб каналов на участке протяженностью 8,5 км, устройству противофильтрационных экранов, замене запорно-регулирующего оборудования гидротехнических сооружений. Гидравлические условия эксплуатации магистрального канала в створе гидропоста характеризуются повышенным значением коэффициента шероховатости, которое превышает нормативное значение для каналов с расходом воды не более 25 м3/с в 1,16 раза. Увеличение коэффициента шероховатости является следствием заиления дна канала и зарастания русла вдоль берегов с учетом многолетнего периода его эксплуатации. При увеличении расхода воды, подаваемой в канал до нормального и максимального значений, возможны снижение пропускной способности русла и увеличение нормальной глубины воды в канале.
ЛЕСНОЕХОЗЯЙСТВО
Рассматривается таксономическая структура флоры сосудистых растений заповедника «Кологривский лес», который является основой экологического каркаса Костромской области. В нем сохранились не затронутые хозяйственной деятельностью фрагменты южно-таежных ельников. Важным этапом инвентаризации флоры является проведение таксономического анализа. Его назначение – выявление уровня видового богатства флоры, разнообразия таксонов разного ранга и их соотношения, то есть систематическое структурирование флоры. Материалы по формированию флористического списка заповедника «Кологривский лес» получены во время полевых исследований авторов за период с 2010 по 2021 гг. При формировании перечня видов сосудистых растений использовались также гербарные материалы, данные предварительной инвентаризации флоры, полученные при проектировании заповедника, выгрузки по сосудистым растениям из Глобальной информационной системы о биоразнообразии (GBIF), данные литературы. Флора заповедника «Кологривский лес» насчитывает 523 вида, относящихся к 265 родам и 79 семействам. Семейственный спектр возглавляют типичные доминанты бореальных флор Евразии: семейства Poaceae (9,8%), Asteraceae (8,6%), Cyperaceae (8,0%), Rosaceae (4,6%), Ranunculaceae (4,0%). Они же являются самыми многородовыми семействами. Ведущими родами являются Carex (6,7%), Salix (2,9%), Juncus (1,7%), Ranunculus (1,7%), Viola (1,7%). Флора удаленных друг от друга Кологривского и Мантуровского участков заповедника имеет свою специфику, определяющуюся особенностями почвенно-климатических, гидрологических, лесорастительных условий.
На современном этапе в коллекции лекарственных растений Ставропольского ботанического сада проводится работа по изучению и подбору ассортимента видов, пригодных для оздоровления окружающей среды. В свете ухудшения экологической ситуации это направление исследований является весьма актуальным. Из широкого спектра лекарственных растений большой интерес представляют виды семейства Lamiaceae Lindl. (Яснотковые). Цель исследований – изучить перспективность 18 видов этого семейства при выращивании в условиях Ставропольской возвышенности. Климат умеренно-континентальный, полусухой, относится к зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края, высота над уровнем моря – 640 м. Среднегодовая температура составляет +9,7…+11,0°C, среднегодовое количество осадков – 630 мм. Методика исследования видов включает в себя описание жизненных форм, регулярные фенологические наблюдения, оценку зимостойкости, морозостойкости, засухоустойчивости, степень повреждаемости болезнями и вредителями по методике Р.А. Карписоновой с некоторыми доработками. Изучаемые виды представлены такими жизненными формами, как зимнезеленый травянистый многолетник, травянистый двулетник, полукустарник, вечнозеленый полукустарник, кустарничек. Все растения устойчивы к климатическим условиям Ставропольской возвышенности, в том числе к длительным морозным и засушливым периодам (за исключением многоколосников и монарды). Поражение вредителями и болезнями у большинства видов не отмечено. Оценка перспективности у всех изучаемых таксонов высокая и выражается в баллах от 17 до 20. Максимальное количество баллов – у видов лаванда узколистная, тимьян ползучий, шалфей лекарственный. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о перспективности изучаемых видов семейства Lamiaceae и позволяют рекомендовать их к выращиванию в условиях Ставропольской возвышенности.