УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
"ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ"

(для студентов IY курса обучающихся по специальности 330200 "Инженерная защита окружающей среды")

Задание для курсового проекта

                Необходимо запроектировать инженерные мероприятия по экологически безопасной утилизации сточных вод животноводческого комплекса на ирригационном поле орошения с использованием естественных геохимических барьеров на пути передвижения загрязняющих веществ содержащихся в сточных водах данного комплекса.
Курсовой проект оформляется в виде пояснительной записки, примерное содержание которой приводится в данном методическом пособии. Исходные данные выдаются преподавателем индивидуально для каждого студента. К бланку задания с исходными данными прилагается ситуационный план.
Исходные данные включают:
1.Географическое местоположение объекта;
2.Климатические характеристики района расположения объекта;
3.Количество голов и вид содержащихся животных;
4.Почвенная характеристика района с описанием почвенного профиля, и водно – физическими свойствами почвы и подстилающих грунтов по генетическим горизонтам;
5.Указывается тип сельскохозяйственной продукции выращиваемой на ирригационном поле утилизации с потенциально урожайностью для данного района, и выносом чистого азота с урожаем сельскохозяйственных культур.

 

 

 

 

 

 

Введение

Сточные воды населенных пунктов, промышленности и  сельского хозяйства являются сильными  загрязнителями  почв,  подземных  и поверхностных вод. По существующему законодательству  сброс  их  в неочищенном виде в водотоки или в пониженные  места  категорически запрещен.
Очистка стоков является сложной и дорогостоящей. Вместе с  тем многие стоки содержат полезные  вещества, которые можно  использовать. Особенно ценными являются животноводческие стоки, в  которых имеется много питательных элементов для  растений: азота, фосфора, калия; в них содержатся микроэлементы: бор, медь, цинк, марганец, молибден, которые также необходимы растениям, а также кальций и магний, улучшающие свойства почв. Поэтому уже давно эти стоки после соответствующей подготовки широко используют для  удобрения почвы, добавляя их в поливную  воду. С этой целью строят  специальные оросительные системы, которые отличаются от обычных  оросительных систем прежде всего повышенными требованиями к  санитарной безопасности, к размещению, к режиму орошения, наличием дополнительных сооружений и устройств. Эти системы называют  "Ирригационные поля утилизации животноводческих стоков" (ИПУ).
Такое использование сточных вод надо рассматривать прежде всего как природоохранное мероприятие, защищающие компоненты  природы и, прежде всего, водные источники, от загрязнения.
Воздействие систем утилизации сточных вод на  природную  среду нужно оценивать, используя наиболее  полный и объективный  геосистемный или ландшафтный подход, в частности, рассматривая  проблему очистки сточных вод, т.е. задержание и трансформацию  содержащихся в них веществ, с позиций геохимических барьеров.
Кроме природоохранного  значения,  полив  сельскохозяйственных культур животноводческими стоками снижает затраты на приобретение минеральных  удобрений. Помимо  этого,  доставка  животноводческих стоков на поля вместе с поливной водой по сравнению с обычной технологией внесения органических удобрений экономичней из-за  уменьшения затрат на погрузку и выгрузку, на транспорт. Стоки как удобрения равномерней распределяются по площади и дают большую прибавку урожая.
Из веществ, содержащихся в животноводческих  стоках  после  их подготовки, наиболее подвижными и опасными загрязнителями являются соединения азота: нитраты NO3  и аммонийный азот NH4 , поэтому по их поведению в почве, в подстилающих  грунтах, в поверхностных и подземных водах можно судить о степени экологической безопасности той или иной технологии утилизации стоков.

1.Экологические требования к размещению
и функционированию ИПУ

При поливе сточными водами нужно оценивать не только очищающую способность почвы, но и очень внимательно отслеживать  перемещение загрязнителей  вглубь до  грунтовых  вод и передвижение с  потоком грунтовых вод в ближайшие водотоки, т.е. учитывать  горизонтальные геохимические потоки, связывающие отдельные геосистемы. Как правило, ИПУ занимают небольшую площадь и располагаются в пределах  одной фации, поэтому очень важно правильно выбрать место для  размещения таких систем.
Очищающее действие этого способа хорошо объясняется теорией геохимических барьеров, под которыми понимают природные тела, в объеме которых происходит избирательное накопление  определенных  веществ.
Применительно к рассматриваемому случаю самым действенным  барьером на пути нитратов является растительный покров, так как многие растения способны усваивать большое количество азота: многолетние злаковые травы могут усвоить от 200 до 500 кг чистого азота на одном  гектаре  посевов в год в зависимости от климатической зоны.
При передозировке азота качество урожая может быть  неудовлетворительным, тогда скошенные травы можно  использовать в свою  очередь как удобрение других полей в виде компостов. Принято, что  выращивать продовольственные культуры при поливе сточными водами не следует во избежания угрозы здоровью человека.
Следующим геохимическим барьером для азота является сама  почва, особенно ее гумусированные слои, в пределах которых при  оптимальном  содержании  влаги, воздуха и тепла  происходит  сорбция и трансформация соединений азота в результате  химических и биологических процессов. Так, в результате окисления аммонийный  азот NH4 , содержащийся в больших количествах в  сточных  водах, переходит  в нитраты NO3 (нитрификация), последние частично  восстанавливаются в газообразные формы NO2, NO, N  и теряются в атмосферу  (денитрификация), часть аммонийного азота сорбируется почвенным  поглощающим комплексом, много азота отбирается корнями растений, о чем уже было сказано, а также поглощается микроорганизмами, частично азот накапливается в почве, входя в состав гумуса.
Нужно иметь в виду и то, что в почве  идут  процессы аммонификации, т.е. образования аммония в результате  микробиологических процессов разложения органических веществ и гумуса. Подвижный нитратный азот может вымываться из почвы нисходящими токами влаги.
Подстилающий почву слой слабоводонасыщенных  грунтов, особенно мелкоземов с высокой сорбционной  способностью  также  выступает в качестве барьера для азотных  соединений: для  аммония - как сорбционный барьер, а для нитратов - как  гидрофизический  барьер, замедляющий вертикальные потоки влаги. Мощность такого барьера зависит прежде всего от глубины грунтовых вод, при неглубоком их залегании вертикальные потоки влаги в случае поливов большими  нормами могут быть значительными, что  увеличивает  загрязнение  грунтовых вод и снижает барьерную роль почвы.
При определенных гидрогеологических условиях может иметь место латеральный барьер, если поток грунтовых вод разгружается по своему пути в виде восходящих потоков  влаги, подпитывающих  почвенный слой на прилегающей пониженной местности. Эта ситуация реализуется
в месте  примыкания  супераквальных фаций к элювиальным (возвышенным).
Наконец, необходимо организовывать барьеры на пути  возможного поверхностного стока части поливных вод во избежание распространения стоков на соседние территории. Обычно это достигается планировкой поверхности, применением  соответствующей  техники полива, не допускающей стока поливных вод, ограждением участков валиками.
При поливе сточными  водами  дождевальными  машинами, особенно дальнеструйными, нужно иметь барьер против переноса грязных поливных вод ветром на соседние участки, особенно на населенные пункты.
Этот барьер реализуется правильным выбором расположения ИПУ с учетом розы ветров, а также посадкой лесных полос по границам орошаемого участка.
Таким образом, утилизация сточных вод и экологическая ее безопасность сводится к использованию, созданию и управлению  геохимическими барьерами на пути загрязняющих веществ.
Исходя из этого, можно наметить  конкретные  правила  создания ирригационных полей  утилизации  животноводческих  стоков и выбора места их расположения.
Во-первых, на участке надо выращивать кормовые  культуры,  потребляющие большое количество азота и дающие большую зеленую массу при орошении, как правило, это районированные в  данной  местности многолетние злаковые травосмеси.
Во-вторых, на участке должны быть достаточно плодородные почвы , обеспечивающие высокую продуктивность выращиваемых культур, выступающих в качестве главного барьера на пути азота. По механическому составу почвы должны быть суглинистыми  или  тяжелосуглинистыми  с большим количеством мелких фракций и, следовательно, с большой сорбционной емкостью. На легких песчаных почвах размещать такие участки нельзя.
В-третьих, подстилающие почвенный слой грунты должны содержать достаточно много мелкозема с высокой сорбционной  емкостью для перехвата потока аммония, например, лессовидные  суглинки. Грунтовые воды должны располагаться на глубине не менее 5...7 метров, естественный отток  грунтовых  вод должен  быть  достаточным, чтобы не происходил их подъем в результате орошения. В противном случае при их подъеме и строительстве искусственного дренажа будут провоцироваться большие нисходящие потоки влаги и недопустимое  загрязнение подземных вод, а также возникнет проблема сброса загрязненных дренажных вод.
В-четвертых, режим орошения должен  гарантировать  минимальные нисходящие потоки влаги в почве, что достигается небольшими поливными нормами, достаточно низкой предполивной влажностью, использованием техники полива, дающей равномерное  распределение  поливной воды по полю; все это диктует необходимость применения  дождевания с невысокой  интенсивностью, а также хорошей планировки поверхности. Полив затоплением или по бороздам здесь не подходит из-за  вынужденно больших поливных норм и большой неравномерности  увлажнения.
В-пятых, желательно располагать ИПУ вблизи с пониженными  элементами  рельефа, на которых  можно  организовать восходящие  токи влаги в почву для перехвата горизонтального потока частично загрязненных подземных вод, использования потерянного азота и  снижения загрязнения поверхностных источников, куда разгружается поток грунтовых вод, формирующийся под ИПУ.
В-шестых, ИПУ надо располагать на сравнительно выровненных землях со спокойным рельефом и с уклонами не более 0,005. По  границам участка надо устраивать валики для недопущения  поверхностного стока поливных вод, а также лесополосы шириной 10 метров со стороны дорог и 15 метров - со стороны населенных пунктов. При применении средне- и дальнеструйных дождевателей расстояние от границ ИПУ до населенных  пунктов, производственных  объектов и дорог  общего назначения должно  быть не  менее 200 метров. По  возможности  ИПУ должны располагаться с учетом направления господствующих ветров.
Естественно, что ИПУ нельзя располагать в границах  водоохранных зон поверхностных и подземных водных объектов, над месторождениями подземных вод питьевого или лечебного качества, не  перекрытых надежным водоупором, в пределах санитарных зон курортов и  зон отдыха. Выбор участка для ИПУ обязательно согласовывается с  соответствующими организациями .
Непременным условием  создания и функционирования ИПУ является мониторинг (постоянное наблюдение) за составом  сточных  вод, особенно за содержанием в них болезнетворных бактерий  и  гельминтов, за качеством  урожая (содержанием в нем нитратов), если  продукция идет на корм скоту, степенью загрязнения почв, грунтов и подземных вод как на самом участке, так и за его пределами.
Нужно обеспечить  надлежащие  санитарно-гигиенические  условия для работников, обслуживающих ИПУ.
Экологическая  безопасность  функционирования  ИПУ  во  многом обеспечивается правильными режимом и технологией поливов, подбором надлежащей концентрации стоков в поливной воде. Это можно достичь, осуществляя долгосрочные, не менее 20 лет, прогнозы развития  экологической обстановки при различных сценариях поливов сточными водами, для чего надо иметь достоверные математические модели  передвижения влаги, трансформации, потребления и перемещения  соединений азота, учитывающие специфику природных условий.

2.Природные условия, выбор участка для ИПУ

Ферма крупного рогатого скота принадлежит одному из  хозяйств, находящемуся вблизи станицы Иловлинская в Волгоградской области, в 80 км северо-западней г.Волгограда. Территория хозяйства расположена на левом берегу р. Иловля, являющейся  левым  притоком р.Дон, на расстоянии 18 км от устья. Ниже по течению Дона начинаются верховья Цимлянского водохранилища.
Это сухостепная зона с темно-каштановыми почвами (Донская провинция). Климат зоны средне-континентальный с холодной зимой и жарким сухим продолжительным летом, вегетационный  период  для  трав, т.е. со среднесуточной температурой воздуха  более 50С, начинается 10 апреля, заканчивается 20 октября и составляет  190 суток. Среднегодовое  количество атмосферных осадков около 390 мм, из которых за период вегетации выпадает 210 мм. Пополнение влагозапасов почвы в весенний период после таяния снега составляет 60...70 мм.
Испарение с водной поверхности в среднем равно 1000 мм, достигает в жаркие годы 1400 мм. Коэффициент увлажнения территории составляет 0,30...0,33.
Почвы на  участке  темно-каштановые  незасоленные, потенциально высоко ? плодородные, но страдающие от недостатка естественного увлажнения. По механическому составу почвы среднесуглинистые, горизонт А мощностью 50 см довольно рыхлый,  оструктуренный,  с  плотностью 1,2 г/см3 , Пористость равна 0,53 объема, предельная полевая влагоемкость 0,36 объема или 0,67 пористости, максимальная гигроскопичность 0,12, коэффициент  фильтрации  этого слоя равен  0,40 м/сут, высота капиллярного подъема 2,5 м. Содержание  гумуса в этом  слое равно 5%, емкость поглощения составляет  40...45     мгэкв/100 г. почвы.
Далее по разрезу наблюдается  увеличение  плотности,  снижение пористости и водопроницаемости. С глубины 1 м грунты зоны  аэрации представлены палево-желтыми лессовидными однородными  карбонатными суглинками с пористостью  0,48 объема, максимальной гигроскопичностью 0,08, коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут, высотой капиллярного подъема 1,7 м  и емкостью поглощения  10...15   мгэкв/100 г. почвы.
Участок для размещения ИПУ выбран на высокой надпойменной террасе с абсолютными отметками  41...42 м со спокойным  рельефом и с уклоном i =0,002 в сторону реки, на достаточном удалении от  населенного пункта. Глубина грунтовых вод на участке  hГВ =7 м.
Для перехвата части потока грунтовых вод и содержащихся в  них нитратов разместим участок недалеко от бровки надпойменной  террасы, к которой примыкает пойма  реки Иловля  шириной  около      1 км, с абсолютными отметками  около 37 м и с уклоном  i =0,0005 в сторону реки. В настоящее время пойма практически не затапливается при разливе реки Иловли.
На пойме имеется слой аллювиальных среднесуглинистых отложений мощностью 5 м с коэффициентом  фильтрации  k0 =0,1  м/сут.  Глубина грунтовых вод на пойме летом h =2,0 м, обводненная  мощность  этих отложений равна T0 =3 м.
Ниже залегают древнеаллювиальные разнозернистые пески  мощностью T1=10 м и с коэффициентом фильтрации  k1=2,0 м/сут. Песчаный горизонт распространяется и под надпойменной террасой,  являясь  для нее дренирующим слоем. Грунтовые  воды на пойме  подпитываются  со стороны надпойменной террасы по песчаному горизонту, в котором поток грунтовых вод имеет напорный характер. Река Иловля вскрывает этот песчаный горизонт, меженные  уровни  воды в ней  ниже  бровки поймы на hR =2 м.
Песчаный горизонт подстилается хвалынскими глинами, образующими региональный водоупор. Общая мощность  водопроницаемых  отложений на пойме TВ =15 м, а на надпойменной террасе TН =19 м.
Схематически гидрогеологические условия показаны на рис.1.
Водосборная площадь реки равна 9390 км2 , модуль меженного стока 0,11 л/сек/км2 ,меженный расход реки равен 0,11·9390/1000=1,03 м3 /сек.
На пойме сформировались довольно мощные остепеняющиеся  аллювиальные дерновые почвы легкосуглинистого состава, потенциально  высоко ? плодородные, но из-за уменьшения сроков поемности испытывающие недостаток влаги и нуждающиеся в орошении. Горизонт А имеет пористость 0,50 объема, предельную полевую влагоемкость 0,33,  максимальную гигроскопичность 0,08, коэффициент  фильтрации  0,35  м/сут, высоту капиллярного подъема 1,8 м.
Для прогнозных расчетов проанализируем погодные условия теплых периодов за 1968-1987 г.г. т.е. за 20 лет по  данным  метеостанции Волгоград. По среднедекадным значениям температуры и относительной влажности воздуха с помощью формулы Н.Н.Иванова определим  суммарное водопотребление многолетних трав за каждую декаду:
E = 0,061Kб К0 (25+T)2 (1-0,01 a), мм,                     (2.1)
где - биологический коэффициент, для многолетних трав в  среднем
за вегетацию равный 0,85;
K0 - микроклиматический коэффициент, учитывающий размеры орошаемого участка, равный 0,85;
T - среднедекадная температура воздуха,  С0;
a - среднедекадная относительная влажность воздуха, %.
По этим данным и по сумме атмосферных  осадков  определим  дефицит
естественного увлажнения (табл.1), который можно для предварительных расчетов принять в качестве оросительной нормы, так как весеннее увлажнение почвы в условиях орошения  компенсируется  примерно такими же потерями воды на глубинное просачивание.  Это  допущение проверено при детальном расчете водного режима путем математического моделирования.
С учетом этого допущения средняя (с обеспеченностью 50%)  оросительная норма составляет 513 мм или 5130 м3/га при  максимальной за 20 лет 926 мм и минимальной  232 мм, т.е. изменяется  почти в 4 раза. Для года 75% обеспеченности оросительная норма равна 573 мм, что соответствует зональным рекомендациям, см. например,  Справочник "Мелиорация и водное хозяйство. Орошение", табл. 2.25 и 2.31.
Таблица  1
Расчет естественного увлажнения по данным метеостанции      Волгоград , мм


N

Годы

Осадки

Суммарное водопотребление

Дефицит увлажнения

1

1968

166

723

557

2

1969

210

676

466

3

1970

159

691

532

4

1971

165

693

528

5

1972

66

992

926

6

1973

292

570

278

7

1974

208

588

380

8

1975

75

950

875

9

1976

307

539

232

10

1977

329

674

345

11

1978

257

585

328

12

1979

177

750

573

13

1980

196

659

463

14

1981

194

727

533

15

1982

265

643

378

16

1983

190

734

544

17

1984

116

805

689

18

1985

213

683

470

19

1986

67

879

812

20

1987

250

604

354

Сумма

?

3902

14165

10263

Среднее

?

195

708

513

 

 

 

3.Определение объема стоков и их подготовка

Ирригационные поля утилизации животноводческих стоков  организуют на базе крупных животноводческих ферм или комплексов по  производству молока  имеющих от 400 до 2000 коров, по выращиванию  и откорму молодняка крупного рогатого скота на  5000...18000  голов, по выращиванию ремонтного молодняка и нетелей  на 3000...6000  голов, комплексов по выращиванию и откорму свиней на  12000...100000 голов.
На таких крупных фермах применяют  бесподстилочное  содержание скота с удалением навоза механическим способом при привязном стойловом содержании коров или гидравлическим способом при  беспривязном боксовом содержании молодняка крупного  рогатого  скота и свиней. В зависимости от способа  удаления  навоза он  подразделяется на:
1) полужидкий навоз (экскременты) с содержанием в нем  твердой фракции 12...15% и жидкой 88...85% при механическом удалении;
2) жидкий навоз с содержанием твердой фракции 7...9% при  гидравлическом удалении самотеком;
3) навозные стоки с содержанием твердой фракции 2...5% при гидросмыве.
Из всех трех видов навоза в результате соответствующей  подготовки  получают  осветленные  животноводческие  стоки, т.е. жидкую фракцию после отделения твердой фракции  и  различных  посторонних включений, карантинирования, дегельминтизации и, если это  необходимо, после обеззараживания. Именно эти стоки можно, разбавляя водой, подавать на полив.
Суточная масса экскрементов от одного животного составляет:
у молочных коров - 55 кг при 12% твердой фракции;
у молодняка на откорме в зависимости от  возраста - 14...35 кг
при 14% твердой фракции;
у ремонтного молодняка и нетелей - 14...27 кг при 14%  твердой
фракции;
у свиней на откорме - 3,5...6,6 кг при 13% твердой фракции.
Годовое количество навоза, из которого образуются стоки, зависит от способа содержания животных. Так, свиньи и молодняк крупного рогатого скота содержатся беспривязно и безвыгульно в помещениях ферм, поголовье их практически  постоянно,  годовое  количество навоза равно произведению суточной  массы  экскрементов  на  число дней в году.
Молочные коровы могут содержатся в стойлах на привязи и некоторое время на выгульно-кормовых площадках.  Годовой  объем  навоза, образующий стоки, в этом случае на 10...15% меньше за счет  потерь на выгульно-кормовых площадках в результате испарения и вымывания. Следует иметь ввиду, что эти площадки могут быть источниками  загрязнения поверхностных и подземных вод и должны быть соответствующим образом оборудованы.
На фермах со  стойлово-пастбищным  содержанием  коров  годовой объем навоза уменьшается на 30% за счет потерь на пастбище.
Удобрительная ценность животноводческих стоков зависит  от содержания питательных веществ в жидкой  фазе  экскрементов, степени разбавления при удалении навоза из помещения фермы и от потерь при хранении.
В экскрементах коров содержится азота  0,43%, фосфора  0,28%, калия 0,50%, у молодняка крупного рогатого скота:0,77; 0,44; 0,76% у свиней 0,72, 0.47; 0,21%, соответственно.
В стоках свыше 70% азота находится в аммонийной форме, поэтому значительное количество его теряется при хранении и во время полива дождеванием, оставшаяся часть, попав в почву, хорошо усваивается растениями. Фосфор представлен в виде органических  соединений, поэтому он не теряется, в почве он освобождается по мере минерализации и также хорошо усваивается растениями. Калий в стоках  находится в растворенном виде и также доступен  для  растений. В почве он закрепляется в результате адсорбции и хорошо сохраняется при ее высокой поглотительной способности.
Трансформация соединений азота в  почве  подробно  рассмотрена при описании соответствующей математической модели.
В навозе содержится  значительное  количество  микроэлементов, необходимых для растений: марганца - 27...31 мг/кг, цинка -  19... 37, меди - 3,7...6,9, бора - 3,6, молибдена - 0,2 и кобальта - 0,1 мг/кг. В стоках также имеется около  0,4...0,6 г/л кальция  и магния, которые улучшают свойства почв.
Высокая удобрительная ценность животноводческих стоков подтверждается значительной прибавкой урожая. Так, в опытах МСХА в  Московской обл. продуктивность культурных пастбищ без орошения составляла 6,9 т зеленой массы, при поливе чистой  водой она  возрастала до 20,7 т, а при поливе разбавленными стоками - до  46,7  т/га.  В Белгородской обл. урожайность многолетних трав при поливе сточными водами увеличивалась в 5 раз, кукурузы на зеленый корм - в 2,6 раза, вико-овсяной смеси - в 2,3 раза по сравнению с богарой.     При использовании животноводческих стоков  надо  иметь  ввиду, что в них содержится значительное количество возбудителей  инвазионных (заражение глистами) и инфекционных (заражение микроорганизмами) заболеваний. Поэтому стоки подлежат обеззараживанию.
Способы подготовки и обеззараживания  животноводческих  стоков зависят от вида животных и от способов удаления навоза. На рис.  2 показана технология подготовки стоков из полужидкого навоза молочных коров, удаляемых из помещения фермы механическим способом.
Навоз из  помещений транспортируют в навозоприемник (поз. 1 на рис. 2), затем отделяют крупные включения (2) и помещают в  резервуар-усреднитель (3), откуда  насосом  (4) подают  на  разделитель
твердой и жидкой фракций (5). Твердая  фракция  после  отжима  (6) транспортируется в бурты (7), затем вывозится на поля как  удобрение. Жидкая фракция поступает в прифермский  многосекционный  бассейн-накопитель (8), откуда во время полива насосом (9) подается в камеру смешения с чистой водой (10) и затем уже другим насосом (11) поливная  вода, обогащенная  стоками, закачивается в магистральный трубопровод и поступает к дождевальным машинам.
В данной схеме обеззараживание стоков достигается при длительном, около 6-ти месяцев, хранении их в бассейне-накопителе.

При поливе дождеванием  технология  подготовки  стоков  должна  обеспечить содержание включений размером не более 10 мм и         содержание сухого вещества не более 2% во избежание засорения   дождевальных устройств. Исходя  из  санитарно-гигиенических  требований транспортировка стоков при их подготовке и подаче на  поля  должна осуществляться по трубопроводам.

При длительном хранении в бассейне-накопителе образуется  осадок твердых  фракций, поэтому бассейн устраивают  многосекционным.
Во избежание  повреждения  стенок и дна при  удалении осадка и для устранения просачивания стоков бассейн делают из бетона. Необходимо также предусмотреть возможность очистки от осадка камеры смешения.
Технологии подготовки и обеззараживания стоков  свиноводческих ферм более сложные, они приводятся в специальной литературе.
Определим объем стоков и их удобрительную ценность для конкретной фермы с выгульно-кормовыми  площадками, на которой  находится 1200  молочных коров по формуле:
H= (N?B?K?365)  ? ?, м3;                              (3.1)
где N — число голов животных;
B — суточный выход навоза от одной головы;
K — потери навоза на выгульных площадках;
H — годовой объем навоза.          
? —  плотность навоза, кг/м3
В этом случае  годовое  количество  навоза с учетом 10% потерь на площадках составит:
H= (1300·55·0,9·365) ?1083=21687 м3.
При содержании в навозе твердой фракции в количестве 13%, объем жидкой фазы, т.е. годовой объем животноводческих стоков при механическом удалении навоза (без разбавления при удалении) определяется по зависимости:
d  , м3 ;                              (3.2)
где К1 — содержание в навозе твердой фракции в %;
s— годовой объём жидкой фазы.
Тогда  согласно формуле  (3.2) годовой объем равен:
d=21687·0,87=18867 м3
В этих стоках при их плотности 1000 кг/м3 содержится:
азота AZ= 0,0043·d=0,0043·18867=81,1  т;               (3.3)
фосфора Ф= 0,0028·d= 0,0028·18867=52,8 т;           (3.4)
калия К= 0,0050·d= 0,0050·18867=94,3 т.                (3.5)
Определим площадь орошаемого участка, на который можно  подать такое количество питательных веществ со стоками, чтобы их максимально утилизировать и не допустить загрязнения подземных и  поверхностных вод. Обычно эти расчеты ведут по азоту, т.к. фосфор и  калий хорошо закрепляются в почве и практически не поступают в  глубокие горизонты. Азот же, особенно в форме нитратов NO3 , более подвижен и является в данном случае главным загрязнителем  подземных и поверхностных вод.
Для этого прежде всего  знать,  какое  количество  питательных элементов используется растениями и выносится из почвы  с  урожаем (табл. 2,3).
Для условий Волгоградской области, хорошо обеспеченной теплом, при оптимальной влажности и достаточном количестве  удобрений  потенциальная урожайность многолетних   злаковых       трав        может
составить 13 тонн сухого вещества с гектара, следовательно, потенциальный  вынос  азота будет равен:
WAZ=UR? С кг/га;                                        (3.6)
где UR — потенциальный урожай,  тонн с га.;
С — азота в кг с одной тонной продукции, в нашем случае 30 кг.
Тогда вынос:
WAZ =13·30=390 кг/га
С учетом некоторых потерь азота в почве на денитрификацию и вымыв вниз примем нагрузку на 1 гектар WAZ =400 кг. Эти предварительные расчеты будут уточнены при  моделировании.
Отметим здесь же, что потенциальная урожайность не может быть  достигнута из-за неизбежного отклонения влажности почвы от  оптимальной, следовательно, и баланс азота будет скорректирован.
При определении площади участка надо иметь  ввиду,  что  часть азота в аммонийной форме будет потеряна  при  длительном  хранении стоков в бассейне-накопителе, эти потери  составляют Пd = 25...30%,  а также при дождевании ПД = 5...10% . Поэтому фактически в почву со сточными водами ежегодно может поступить:
AZf = AZ·Пd? ПД =81100·0,75·0,95=57784 кг азота.          (3.7)
В формуле (3.7) dПd и ПД подставляются вдолях.
Следовательно, площадь орошаемого участка должна быть:
d                  (3.8)d       Из табл.1 видно, что среднемноголетняя оросительная норма равнаМ= 513 мм или 5130 м3 /га, концентрация чистого  азота  в  поливной воде, поступающей в почву, должна быть:
d d                       (3.9)     
В нашем случае (400:5130)·1000= 78  мг/л.
В поливной воде азота должно быть на  5% больше для компенсации  потерь при дождевании:
d;                                    (3.10)
т.е. 78:0,95=82,1 мг/л. В бассейне-накопителе концентрация азота с учетом потерь при хранении равна :
d;                     (3.11)
В нашем случае 0,0043·0,75·1000=3,225 г/л=3225 мг/л. Следовательно, сточные воды должны быть значительно разбавлены речной водой для сохранения баланса воды и азота. Степень  разбавления найдем из баланса азота, считая, что в речной воде его практически нет:
d;                                      (3.12)
Отсюда степень разбавления:
d раз;
т.е. одна часть стоков разбавляется 38,3 частями речной воды, или в 1м3  поливной воды должно содержаться 1:39,3=0,025 м3  стоков.
При математическом моделировании полива сточными  водами  надо задать концентрацию азота в поливной воде, поступающей в почву отдельно в виде аммония  NH4  и нитратов  NO3 . В разбавленных  стоках азот преимущественно присутствует в аммиачной форме. Количество аммония и нитратов в поливной воде определяется методом подбора по формуле:
d мг/л ;                   (3.13)
где:
d ? содержание аммония в поливной воде;
d ? содержание нитратов в поливной воде ( 30% от d)
Примем, что в разбавленных стоках, т.е. в поливной воде, аммония  содержится  90 мг/л, а нитратов - 36 мг/л. С учетом атомных весов в таком растворе чистого азота всего будет 90·14:18+36·14:62=78 мг/л.
При урожайности 13 т/га вынос фосфора с урожаем со всего  орошаемого участка потенциально может составить  7·13·145:1000=13 т,
а калия: 35·13·145:1000=66 т. Сравнивая эти цифры с объемами  фосфора и калия, ежегодно подаваемыми со сточными  водами, видим, что потребность в этих элементах вполне  перекрывается  подачей,  т.е. будет иметь место их накопление в почве, следовательно,  рост  ее плодородия.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица N2 .  Состав  травосмесей, урожайность  и  вынос  азота  с  урожаем  по  областям.


Область

Состав  травосмеси

Урожайность
сухого  вещества т/га

Вынос  азота  с  урожаем  кг/га

Ленинград

Тимофеевка луговая + овсяница тростниковая

6 — 8

180 — 304

Киров

7 — 9

210 — 340

Иванов

7 — 9

210 —340

Казань

тимофеевка луговая + кострец безостый

9 — 10

300 — 380

Москва

9 —10

300 — 380

Смоленск

9 — 10

300 — 380

Тула

кострец безостый + овсяница  луговая

10 — 11

310 — 420

Оренбург

11 ?12

341 ? 460

Саратов

11 —13

340 —500

Воронеж

13 — 14

400 — 540

Волгоград

кострец безостый + овсяница  луговая

11 — 13

340 — 500

Ростов-на-Дону

11 — 13

340 — 500

Краснодарский край

15 — 17

465 — 650

Ставропольский край

14 — 16

434 — 608

4. Режим полива сточными водами

Для достижения поставленной  цели  наибольшей  утилизации  веществ, содержащихся в сточных водах,  необходимо  подавать  каждый год на орошаемый  участок  определенное  количество  поливных  вод и удобрений, чтобы создать наилучшие условия для  развития  растений, выполняющих главную роль в перехвате загрязняющих веществ.
Из-за значительной изменчивости погодных условий потребность в поливной  воде из года в год может  изменяться в несколько раз, но заранее предсказать ее для каждого вегетационного периода  практически нельзя и, следовательно, нельзя заранее определить требуемую концентрацию азота в поливной воде.
В практике орошаемого земледелия обычно поливы  назначают  при снижении влажности почвы в расчетном слое до определенного,  заранее известного предела, тем самым оросительная  норма  (как  сумма поливных норм) в каждом конкретном году получается разной, в зависимости от количества атмосферных осадков, температуры и влажности воздуха.
Если содержание азота в поливной воде поддерживать постоянным, то в разные по погодным  условиям  года из-за разной  оросительной нормы в почву поступит  разное количество  удобрений, что скажется на урожае, несмотря на то, что количество воды  было  достаточным. Правда, благодаря способности почвы накапливать питательные  вещества, колебания урожайности должны быть меньшими.
Такой режим поливов сточными водами называется  "гибким",  так как он учитывает погодные условия каждого года.
С другой стороны, поголовье скота на ферме практически  постоянно, следовательно и объем стоков,  подлежащих  утилизации,  тоже постоянен и не зависит от погодных условий. Поэтому,  если  поливы назначать, исходя из потребности растений, необходимо хранить избыток стоков во влажные годы и расходовать их в  засушливые.  А  это неудобно и дорого, так как требует строительства больших бассейнов-накопителей. При этом возрастают потери  аммонийного  азота, являющегося ценным удобрением. Технологически удобней поливать  равными поливными нормами через равные  промежутки  времени  с  одинаковой концентрацией азота, несмотря на разные погодные условия.
Такой режим поливов сточными  водами  называется  "жестким"  и имеет помимо технологических удобств  и  определенные  недостатки, особенно во влажные годы, когда подача излишней  воды  приводит  к увеличению глубинного ее  просачивания,  следовательно  возрастает угроза загрязнения природы. В сухие годы воды  и азота будет  не хватать  и урожай уменьшится.   Выбор того или иного режима полива возможен  только  путем  их всестороннего  сравнения. Для этого  нужны  длительные  прогнозные расчеты, которые должны опираться на достоверные методы  моделирования передвижения и трансформации воды и загрязняющих  веществ. С этой целью  воспользуемся  математическими  моделями  передвижения влаги и азота в почве при поливе  сточными  водами, разработанными на кафедре мелиорации и рекультивации земель МГУП.

 

5.Математическая модель передвижения влаги и азота в почве
при поливе сточными водами

5.1.Цель создания модели, требования к ней

Как было сказано выше, содержательная цель создания  модели количественное описание динамики влагозапасов, содержания  нитратного и аммонийного азота, потоков этих веществ в почве и в подстилающих грунтах при поливе животноводческими  стоками  влаголюбивых многолетних травянистых растений, обильно использующих азот и дающих большую биомассу.
Отметим сразу, что  элементарные  балансовые  уравнения  типа "приход - расход = накопление запасов" здесь явно не подходят, хотя они широко используются агрономами для расчета норм и доз  удобрений. Для нашей задачи модель должна обязательно  включать  механизмы передвижения влаги и азота, особенности поступления и расходования влаги в почве в виде осадков, поливов, физического испарения и транспирации, влагообмена между увлажняемой толщей и подстилающими ее слоями; особенности поступления, расходования и  трансформации соединений азота, его отбора корнями растений, сорбцию  и десорбцию, нитрификацию и денитрификацию, микробиологическую  деятельность.
Модель должна учитывать  особенности  генетического  строения почвы, различия физических, водных и химических свойств  отдельных горизонтов и подстилающих их грунтов.
Необходимо иметь возможность  расчета  передвижения  влаги  и азота в широком диапазоне влагонасыщенности: от сильного иссушения нижних горизонтов до почти полного насыщения верхних при  поливах.
Необходимо учитывать конкретный график выпадения атмосферных осадков, переменное во времени испарение с поверхности  почвы, зависящее также от влажности ее верхних слоев, изменяющееся во времени и по глубине расходование влаги на транспирацию путем отбора корнями растений, конкретный график поливов, назначаемых по  определенному критерию и увязанный с технологией  доставки и подготовки  сточных вод.

5.2.Модель передвижения влаги в почве

Принято, что в пределах каждого генетического горизонта  почва представляет собой гомогенное  пористое  пространство,  т.е.  в данной модели в явном виде не  учитывается  ее  структурность,  а, следовательно, наличие агрегатной и межагрегатной пористости. Последнее косвенным образом учитывается такими водно-физическими характеристиками, как капиллярная влагопроводность и взаимосвязь между влажностью и каркасно-капиллярным  потенциалом (так  называемая основная гидрофизическая характеристика почвы – ОГХ). И  если  эти характеристики будут установлены по данным экспериментов, моделирующих аналогичные процессы, то погрешность такого  допущения  будет несущественной. 
Для полевых культур, образующих сплошной растительный покров с практически однородной по горизонтали корневой массой, и при поливе дождеванием можно рассматривать только вертикальные потоки влаги.
С учетом сказанного объемный вертикальный поток  влаги  через  м2  поверхности будет равен:
d;м3в/м2/сут                                        (5.1)
где  k  — коэффициент  влагопроводности, зависящий  от  влагонасыщенности, по  А. И. Голованову  [ 7 ]:
d                                       (5.2)
d- коэффициент  фильтрации, то  есть  влагопроводность  при  полном  влагонасыщении, м3в/м2/сут, здесь  и  далее  м3в — кубический  метр  почвенной  влаги;
d- объёмная  влажность  почвы, м3в/м3;
d- максимальная  гигроскопичность, м3в/м3;
d- влажность  почвы  при  полном  заполнении  пор, численно  равная  пористости;
d- полный  напор  почвенной  влаги, при  отсчёте  напоров  от  поверхности  земли  и  оси  x, направленной  вниз:
d, м                                      (5.3)
d - гравитационная  составляющая  напора;
d- напор, эквивалентный  каркасно-капиллярному  потенциалу, при  неполном  влагонасыщении  d <  0. При  высокой  влажности  превалирует  капиллярный  потенциал, приходящийся  на  единицу  массы  влаги, а  при  сильном  иссушении  малоподвижная  влага  находится  под  действием  каркасного  потенциала.
А. И. Голованов  предложил  в  зоне  полного  влагонасыщения  под  y  понимать  гидростатическую  составляющею  полного  напора, равную  заглублению  данной  точки  под  уровень грунтовых  вод: d= х - hг, где  hг  - глубина  грунтовых  вод. При  поливе  затоплением, когда  на  поверхности  почвы  ( х = 0 )  создаётся  слой  воды  hс, полный  напор  будет  равен  H = hс.
Такая  обобщённая  трактовка  y  позволяет  описывать  передвижение  влаги  в  большом  слое, включающем  в  общем  случае  колеблющийся  в  нём  уровень  грунтовых  вод, зоны  полного  и  неполного  влагонасыщения.
Для  зоны  неполного  влагонасыщения  нужно  иметь  зависимость  между d и d, которая  может  быть  найдена  из  полевых  экспериментов, например, при  одновременных  измерениях  влажности  почвы  и  напора  почвенной  влаги  с  помощью  тензиометров.
При  изменении  влажности  в  максимально  широком  диапазоне:  от  полного  насыщения  до  максимальной  гигроскопичности      эта  зависимость  принимается в  виде:
d                   (5.4)   
где  d - максимальная  высота  капиллярного  поднятия, м;
d  и  d - эмпирические  коэффициенты, подбираемые  так, чтобы  наилучшим  видом  описать  экспериментально  определённую  ОГХ.
Расходование  почвенной  влаги  на  испарение  с  поверхности  почвы  d  и  на  транспирацию  d  учитывалось  следующим  образом. Для  каждой  декады   или  иного  промежутка  времени  применительно  к  конкретному  году  должно  быть  известно  потенциальное  суммарное  испарение  d; определяемое  температурой  и  влажностью  воздуха, с  одной  стороны, и  биологическими  особенностями  конкретной  фазы  развития  растения, с  другой; при  условии, что  влажность  почвы  в  корнеобитаемой  зоне  является  оптимальной  для  растения, иными  словами, при  которой  растение  способно  максимально  транспирировать  влагу. Суммарное  потенциальное  испарение  в  модели  вычисляем  по  формуле  Иванова:
d, мм/сут                 (5.5)
где  d- температура  воздуха  за  сутки  в  градусах  Цельсия,                            d - влажность  воздуха  за  сутки  в  долях.
Температура  и  влажность  воздуха  берутся  из  многолетних  метео-наблюдений. Это  суммарное  испарение  подразделяется  на:
d  и  d ,м/сут         (5.6)
где  d - коэффициент, учитывающий  долю  расходования  влаги  на  испарение  с  поверхности  почвы  от  суммарного, при  высокой  влажности  верхнего  слоя  почвы  коррелирующий  со  степенью  покрытия  поверхности  почвы  листовой  поверхностью, зависит  от  фазы  развития  растения  и  укосов  трав. В  период  вегетации  он  лежит  в  пределах  0,1 . . . 0,5, во  вневегетационный  период  равен  единице. d
Иссушение  верхнего  слоя  почвы  учитывается  так:
d                                   (5.7)  
где  d - коэффициент  редукции  испарения, зависящий  от  влажности  почв  вблизи  поверхности:
d; d : при  d  d ; при  d d
то  есть  принято, что  заметное  уменьшение  испарения  начинается  при  влажности  почвы  у  поверхности  равной  0,8  пористости.
Реальный  расход  влаги  на  транспирацию  d  принят  равным  потенциальному  при  средней  влажности  корнеобитаемого  слоя, превышающей  нижний  предел  оптимального  диапазона  d. В  случае  большего  иссушения  почв  реальная  транспирация     уменьшается  по  зависимости:
d                                 (5.8)   
где  d; d; при dd  d; при  d d
ВЗ - влажность  завядания, равная  примерно  ( 1,3 . . . 1,5 )  d.
Распределение  интенсивности    отбора    влаги    корнями  растений  в  расчётном   слое    по    А. И. Голованову  принимается    зависящей  от  влажности  почвы  в  элементарных  или  расчётных  слоях:
d                                 (5.9)  
где  d ; dd; при  d ‹  0d
i - номер  расчётного  слоя;
n - число  расчётных  слоёв  в  корнеобитаемой  зоне.
В  этом  случае  отбор  корнями  из  i - того  слоя  составит  d, [(м3в/м3)/сут], а  из  всей  корнеобитаемой  зоны: d. В  модели  предусмотрена  возможность  изменения   во  времени  мощности  корнеобитаемого  слоя.
Для  численной  реализации  модели  используем  приведённый  выше  закон  движения, а  также  уравнения  баланса. С  помощью  конечно - разностного  способа  описания  этого  процесса  можно  получить  систему  алгебраических  уравнений  на  каждый  шаг  по  времени  d. В  связи  с  этим, минуя  стадию  вывода  дифференциального  уравнения, запишем  систему  алгебраических  уравнений  в  конечных  разностях, используя  неявную  схему.
С  этой  целью  всю  рассматриваемую  толщу  почвы  и  подстилающего  грунта  L  разобьём  на  N  слоёв  переменной  толщины  d, опыт  расчётов  показывает, что  толщину  слоёв  в  корнеобитаемой  зоне  и  вблизи  неё  желательно  иметь  равной  0,05м, глубже  толщину  слоёв  можно  постепенно  увеличивать  до  0,20 . . . 0,25м. Для  облегчения  учёта  граничных  условий  на  поверхности  почвы  и  на  нижней  границе  вводим  слои  нулевой  толщины, то  есть  d. При  этом  вся  толща  представляется  в  виде  блоков  высотой  d и  площадью  поперечного  сечения  1м2. Каждый  блок  характеризуется  влажностью  в  его  центре  d, и  соответствующим  ей  напором  d. Такая  схематизация  представляется  более  очевидной  по  сравнению  с  узловой  схемой. Поток  влаги  из  d-того  блока  в  d- ый  можно  записать, используя  понятие  фильтрационного  сопротивления:
d                                (5.10)   
При  разной  толщине  блоков, разной  их  увлажнённости  и  разных  водно - физических  свойствах, так  как  соседние  блоки  могут  принадлежать  различным  генетическим горизонтам, фильтрационное  сопротивление  d можно  представить  в  виде  двух  последовательных  сопротивлений  d и  d, первое  из  которых  характеризует  d- тый  блок, а  второе — d  блок:
d                 (5.11)    
где  d - коэффициент  влагопроводности  нижней  половины  d- го  блока;
d- коэффициент  влагопроводности  верхней  половины  d- того  блока.
Эти  коэффициенты  рассчитываются  по  зависимости  ( 5.2 )  с  использованием  значений  водно - физических  свойств  каждого  блока  d, d, d. Если  в  зависимости  ( 5.2 )  использовать  значение  влажности  в  центре  соответствующего  блока, то  процесс  будет  описываться  с  большой  степенью  неточности, особенно  при впитывании  влаги  в  сухую  почву, так  как  нижний  сухой  блок  не  пускает  поток  и  необходимо  значительное  накопление  влаги  в  верхнем  блоке, чтобы  преодолеть  сопротивление  нижнего  блока.
Лучшие  результаты  даёт  линейная  аппроксимация  эпюры  влажности  между  центрами  этих  блоков. Тогда  d  подсчитывается  по  влажности:
ddd                      (5.12)              
а  d - по  влажности:

d                 (5.13)              
Запишем  баланс  влаги  в  d- том  блоке  за  время  d, который  складывается  из  притока  влаги  из  d  блока  d, оттока  в  d  блок  d, отбора  влаги  корнями  растений  d, и  изменения  запасов  влаги  в  d- том  блоке  за  это  же  время:
d          (5.14)             
где  d  и  d - влажность  почвы  в  d- том  блоке  на  момент  времени  d и  dt  соответственно.
d- интенсивность  отбора  влаги  корнями  растений  из  d- того  блока,  определяемая  значением  d  и  влажностью  почвы  на  начало  рассматриваемого  шага  по  времени  по  выражению  ( 5.9 ).
Перепишем  уравнение  ( 5.33 )  с  учётом  выражения  ( 5.10 )  в  виде:
d      (5.15)          
Можно  отметить, что  в  этом  уравнении   присутствуют  две  искомые  величины  d  и  d, которые  функционально  связаны  зависимостью ( 5.4 ).
Это  уравнение  предпочтительнее  решать  для  напоров  почвенной  влаги, так  как  в  данном  случае  легче  определять  потоки  влаги, глубину  грунтовых  вод,  отток  в  дрены, а  также  потому, что  на  границе  генетических  горизонтов  с  разными  свойствами  возможен  скачёк  влажности, но  напоры  всегда  равны. Для  этого  запишем:
d          (5.16)      
при  малых  d          d           ( 5.17)  где  d - коэффициент      влагоёмкости, характеризующий     изменение влажности  почвы  при  небольшом   изменении каркасно – капиллярного  напора  и  определяется  дифференцированием  аппроксимации  ОГХ. Для  принятой  нами  зависимости  ( 5.4 ):
d           (5.18)             
или
d ; d      (5.19)            
При  n=1                             d                        (5.20)            
При  d‹ 0  d.
В  выражениях  ( 5.18 ) - ( 5.20 )  значения  d, d  и  d  принимаются  для  соответствующего  генетического  горизонта, а  влажность  почвы  или  каркасно  -  капиллярный  напор  берутся  на  момент  времени  d, то  есть  d  или  d, для  этого  применяется  способ  итераций  и  под  d или  d  понимаются  значения  искомых  функций  предыдущей  итерации. Способ  итераций  позволяет  упростить  расчёт  d  во  всех  итерациях, кроме  первой  и  определять  его  как  d.
Гидравлические  сопротивления  d  и  d  при  итерациях  также  подсчитываются  по  средней  влажности  d. С  учётом  ( 5.17 )  перепишем  основное  уравнение  в  виде:
d     (5.21)
Для  решения  методом  прогонки  преобразуем  его:
d                          (5.22)    
где  d ; d ; d  ;  d
При  прямой  прогонке  определяем  коэффициенты:
d  и  d               (5.23)              
а  при  обратной - искомые  напоры:
d                           (5.24)                            
С  помощью  ОГХ  переводим  напоры  во  влажность, итерации  продолжаем  до  тех  пор, пока  в  любом  блоке  влажность  в  двух  соседних  итерациях  не  будет  отличаться  более  чем  на  0,0001  объёма. При такой  точности  в  5 ти  метровом  слое  ошибка  влагозапасов  не  превысит  0,5 мм.
Граничные  условия  на  поверхности  почвы  учитываются  при  подсчёте  первых  значений  прогоночных  коэффициентов  d  и  d. В  межполивной  период  граничным  условием  является  поток  влаги,  равный  испарению  с  поверхности  почвы  d :
d 
отсюда, имея  в  виду  ( 5.24 ), находим:
d ; d                        (5.25)               
В  период  поливов  граничное  условие  на  поверхности  почвы  в  принципе  зависит  от  способа  полива. При  сплошном  затоплении  слоем воды  d  d, следовательно:
d ; d                             (5.26)
При  поливе  дождеванием  заданной  интенсивностью  можно  поток  влаги  через  поверхность  почвы  принимать  равным  этой  интенсивности, но  здесь  неизбежны  сложности  с  образованием  слоя  воды, поверхностного  стока  и  т. п. При  поливе  по  бороздам  граничное  условие  ещё  больше  усложняется. Поэтому  поливы  моделировались  следующим  образом : полагаем, что  в  это  время  на  всей  площади  влажность  почвы  у  поверхности  составляет  0, 95 . . . 0, 98  пористости, т.  е.  учитывалось  наличие  защемлённого  воздуха. Этой  влажности  соответствует  напор  почвенной  влаги  d, несколько  меньший  нуля, т.  е.  формально  принимается  условие  (5.26 ).
Атмосферные  осадки  учитываются   мгновенными, в  день  их  выпадения  увеличением  влажности  почвы  в  верхних  слоях  по  простому  алгоритму  последовательного  насыщения  блоков  до  влажности  d  до  тех  пор, пока  в  них  не  разместится  суточное  количество  осадков. При этом возможен случай, когда свободного объёма пор недостаточно и оставшаяся часть осадков образует поверхностный сток. При  этом  первый  реальный  блок  d насыщается  до  0,96  от  пористости, второй - до  0,94  и  так  далее.  В  начале  этого  шага  по  времени  необходимо  пересчитать  напоры  и  уменьшить  шаг  по  времени  с  последующим  ростом  до  принятого. Так  как  осадки  не  содержат  солей, то  надо  пересчитать  концентрации, чтобы  не  нарушился  их баланс.
Приведённый  алгоритм  учёта  атмосферных  осадков  даёт  лучшие  результаты  по  сравнению  с  учётом  осадков  в  виде  потока  влаги. Обычно  известно  только  суточное  количество  осадков, реальная  интенсивность  осадков, регистрируемая  плювиографами, как  правило  неизвестна. Поэтому  достоверно  судить  об  интенсивности  осадков  сложно. Задача  осложняется  и  тем, что  в  структурную  почву  осадки  проникают  не  только  через  поверхность, но  и  на  некоторой  глубине.
Условия  на  нижней  границе  рассматриваемой  толщи, то  есть  при  x=L  обуславливаются  гидрогеологической  ситуацией.  Так  при  глубоком  залегании  грунтовых  вод  hг>>L  предполагается, что  d, а  нисходящий  поток  влаги  на  этой  глубине  формирует  такую  влажность, при  которой  коэффициент  влагопроводности  станет  равным  этому  потоку, так  как  градиент  напора  при  этом  будет  равен  единице, то  есть  d, напомним, что  d. Поэтому  при  обратной  прогонке  получаем:
d                         (5.27)
и  далее  определяем  напоры  во  всех  остальных  блоках  по  выражению   (5.43 ).
Если  грунтовые воды  залегают  неглубоко, обеспечено  хорошее  дренирование  и  их  пополнение  и  поэтому  можно  считать, что  их  глубина  постоянна, hг=const, ( что  бывает  редко ), то 
d                                   (5.28)                       
В  случае, если  грунтовые  воды  залегают  неглубоко, степень  естественной  дренированности  невелика, необходимо  строительство  дренажа  и  уровень  грунтовых  вод  колеблется  под  воздействием  поливов, то мощность расчётной толщи L  необходимо  принимать  заведомо  большим, чем  наибольшая  возможная  глубина  грунтовых  вод. На  нижней  границе  нужно  задавать  поток  грунтовых  вод, складывающийся  из  влагообмена  между  зонами  аэрации  и  полного  насыщения d, оттока  в  дрены  d, фильтрационных  потерь  из  оросительной  сети  d  и  возможного  напорного  подпитывания  d, то  есть  учитывать  баланс  грунтовых  вод. В  этом  случае  отток  в  дрены  будет  равен:
d, м/сут                               (5.29)                         
С  другой  стороны, отток  в  дрены  равен:
d                                     (5.30)                           
где  d — модуль  дренажного  стока  при  напоре  над  дренами  равном  1 м; он  находится  из  формул  для  расчёта  дренажа. Так  при  глубоком  залегании  водоупора  из  формулы  А. Н. Костякова    следует, что:
d                                   (5.31)                           
Из  формулы  В. М. Шестакова  для  расчёта  дрен, уложенных  в  слоистых  грунтах:
d                          (5.32)                     
где  d— расстояние  между  дренами;
d— диаметр  дрен;
d—глубина  дрен;
d—коэффициент  фильтрации  водоносного  горизонта;
d—суммарная  водопроводимость  дренируемых  слоёв;
d—фильтрационное  сопротивление, учитывающие  работу  несовершенных  дрен  в  слоистых  грунтах (по В. М. Шестакову ) .
Можно  использовать  и  другие  аналогичные    формулы.
Напорное  подпитывание  определяется  по  выражению:
d                              (5.33)                          
где  d  и  d — коэффициент  фильтрации  и  толщина раздельного  слабопроницаемого  слоя;
d — глубина  залегания  пьезометрической  поверхности  в  нижнем  напорном  горизонте, если  пьезометрическая  поверхность  выше  поверхности  земли, то  d ‹ d;
d — средневегетационная  или  среднегодовая  интенсивность  питания  грунтовых  вод  на  массиве  за  счёт  фильтрационных  потерь  из  оросительной  сети.
Можно  записать, с  одной  стороны, :
d
а, с  другой, :
d
откуда  с учётом  ( 5.24 )  получаем:

dd                           (5.34)

Переменная  во  времени  глубина  грунтовых  вод  в  этом  варианте  граничных  условий  вычисляется  как  dd.
В рассматриваемом случае (см.рис.1) строительство искусственного дренажа не предусматривается, следовательно Dd =0, а используется дренирующая роль песчаного горизонта, пьезометрическая поверхность у которого по длине потока наклонная и заранее не  известна, так как она зависит от складывающейся на  обоих  участках  глубины грунтовых вод под действием  орошения, осадков, испарения. В  этом случае используем формулу А.И.Голованова для средней по длине  потока интенсивности напорного подпитывания на нижнем участке:     d;   (5.35)            где    LH – длина потока на пойменом участке;
Q – приток грунтовых вод по напорному  пласту  с  примыкающего вышерасположенного орошаемого участка, м3 /сут/м, он находится предварительно при прогнозных расчетах на этом участке:dd;
d - инфильтрационное питание на вышерасположенном участке, м/сут; 
d – длина потока на вышерасположенного участка;  
d– уклон поверхности земли на нижнем участке;
d;
d и d – коэффициент фильтрации и мощность напорного пласта;
d и d – гиперболический косинус и тангенс; при dd можно принимать  d и d ;
d  - уровень воды в реке, считая от бровки поймы;
d  - средняя на нижнем участке глубина грунтовых вод.
На верхнем участке уровень грунтовых вод формируется под действием инфильтрационного питания за счет просачивания части  поливных вод, фильтрационных потерь из оросительной сети, а  также  за счет оттока грунтовых вод на нижний участок по песчаному  горизон-
ту. В этом случае поток воды вниз равен:
d ;                                     (5.36) 
где:
d ;
d      ;
d  .
В формуле (5.36) d  - глубина грунтовых вод на верхнем участке,  остальные обозначения показаны на рис.1.
Переменная во времени глубина грунтовых вод в  этом  варианте
граничных условий вычисляется как d   .
Начальным  условием  должна  быть  исходная  эпюра  влажности. В  прогнозных  расчётах  она  не  известна. Так  как  расчёты  начинаются  с  момента  снеготаяния  и  полного  оттаивания  почвы, то  возможно  считать, что  к  данному  моменту  времени  верхний  слой  почвы  увлажнится  примерно  до  предельной  полевой  влагоёмкости    ( ППВ ), а  ниже  эпюра  близка  к  равновесной, так  как  к  началу  весеннего  увлажнения  потоки  влаги  в  нижних  горизонтах  к  концу  холодного  периода  затухают. Равновесную  эпюру  можно  рассчитать  по  выражению  (5.4) , пологая, что  равновесный  каркасно-капиллярный  напор  d  по  всей  глубине  расчётной  толщи  равен  d, а  так  как  при  равновесии  полный  напор  во  всех  точках  должен  быть  одинаков  и  равен  d. Естественно, что  под  уровнем  грунтовых  вод, т.  е.  при  ddd.
На  равновесную  эпюру  накладываем  эпюру  влажности  при  весеннем  увлажнении, которую  подсчитываем  по  выражению:
dППВ d                           (5.37)                       
Это  выражение  даёт  среднюю  влажность  в  метровом  слое  равную  примерно  0,8 - 0,9 ППВ, что  не  противоречит  общепринятым  представлениям  о  весенних  влагозапасах  в  почвах. В  качестве  начальной  влажности  принимается  наибольшая   из  равновесной  и  подсчитанной  по  выражению  (5.37 ).
В  результате  решения  системы  уравнений  ( 5.21 ) для  всех  блоков, то  есть  для  d, на  каждый  шаг  по времени  получаем  эпюру  влажности  и  напоров, по  выражению  ( 5.10 )  определяем  потоки  влаги, то  есть  получаем  информацию  о  количестве  влаги  в  почве  и  о  её  движении  под  действием  практически  всех  значимых  факторов. Далее несложно, например, анализируя среднюю влажность в контролируемом слое и сравнивая ее с допустимыми пределами регулирования и переключая граничные условия на поверхности  почвы,  устанавливать моменты начала и конца поливов, определять поливные  нормы, оценивать влагообмен между корнеобитаемым и подстилающим его слоями.
Возможны и другие варианты расчетов, например, оценить  рекомендуемый режим поливов,т.е. когда задаются сроки и нормы поливов. Можно задавать предполивную влажность и размер поливной нормы. Все эти варианты легко реализуются в программе.  Не  составляет  труда задавать переменную во времени толщину корнеобитаемой зоны и  толщину слоя, в котором контролируется влажность почвы. Для рассматриваемой здесь проблемы важно то, что модель передвижения влаги является обязательной  для  построения  достоверной модели передвижения азота.

5.3.Модель передвижения азота в почве

Подвижный азот в почве обычно     находится в виде катиона    аммония NH4  и нитрат-аниона NO3 . Содержание нитрит-аниона  NO2    в почве мало, он образуется в результате окисления  аммония  и  затем     быстро окисляется до нитрат-иона. Этот процесс называется нитрификацией.
Аммоний образуется в результате   разложения      органических  азотистых веществ, включая  и   гуминовые    кислоты,  микроорганизмами (аммонификация). Значительное количество аммония поступает в почву при орошении сточными водами.
Нитратов в сточных  водах  содержится  мало,  их  содержание  в почве определяется  нитрификацией  аммония и денитрификацией,т.е. восстановлением  нитратов  до  газообразных  форм  (NO3,NO2,N ),  а  также отбором корнями растений. Для почв с большой  емкостью  поглощения на баланс аммония  в почве существенно сказываются процессы  обменной сорбции и десорбции.
Естественно, что перечисленные  факторы,  определяющие динамику азота в почве, идут на фоне  заметного  конвективного  и  диффузионного переноса растворенных аммония и нитратов.
Все  сказанное  позволяет  записать  общепринятое   дифференциальное уравнение для аммония NH+4  в виде:

d      (5.38)
d ;
для  нитратов  NO-3 — в  виде:
d;(5.39)
В  этих  уравнениях:
d, d — концентрация  аммония  и  нитратов  в  почвенном  растворе, соответственно, грэкв/м3в;
d — содержание азота в гумусе, грэкв/м3;
dd — интенсивность  сорбции  или  десорбции  аммония  почвенным  поглощающим  комплексом, грэкв/м3/сут;
d , d и d — коэффициенты  скорости  нитрификации,   денитрификации и аммонификации, соответственно, 1/сут;
d  и  d — интенсивность  отбора  аммонийного  и  нитратного  азота  корнями  растений  из  единичного  объема  почвы, соответственно, грэкв/м3/сут;
d — объёмная  влажность  почвы, м3в/м3;
d — объёмный  поток  почвенной  влаги, м3в/м2/сут;
d — коэффициент  конвективной  диффузии, м2/сут;
d                                            (5.4)   
d — коэффициент  молекулярной  диффузии, принят  равным  0,0004 м2/сут;
d — параметр  дисперсии, для  суглинистых  почв  он  равен  0,1 . . . 0,2 м, для  тяжелосуглинистых — 0,2 . . . 0,5, для  глинистых — 0,5 . . .1,0 м и более ( строго  говоря  размерность  d  м 4/м 3в/сут, но  обычно  его выражают  в  метрах ).
Значение  влажности  почвы  и  потоков  влаги, изменяющиеся  по  глубине  и  во  времени, принимаются  в  результате  параллельного  расчёта  передвижения  влаги.
Интенсивность  сорбции  аммония  почвенным  поглощающим  комплексом  обычно  описывают  выражением:
d                            (5.41)            
где  d — коэффициент  скорости  сорбционного  обмена, для  суглинистых  почв  он  лежит  в  пределах  0,02 . . . 0,2  1/сут;
d — безразмерный  коэффициент  распределения  вещества, характеризующий  физико - химические  свойства  катиона  и  почвенного  поглощающего  комплекса, распределение  катионов  на  поверхности  коллоидных  частиц, величина  d  называется  константой  Генри, для  суглинистых  почв  d.
Решая  уравнение  ( 5.41 )  при  t®?  получаем предельное   ( равновесное )  количество  сорбированного  катиона d, то  есть  это  выражение  предполагает  линейный  закон  сорбции  и  при  неограниченном  росте  концентрации  катиона  в  растворе  количество  сорбированного  катиона  также  растёт  неограниченно, что  не  соответствует  действительности, так  как  ёмкость  ППК  ограничена. Иными  словами, реализованный здесь  закон  Генри  справедлив  только  при  малых  концентрациях.
В  чернозёмных  почвах  ёмкость  поглощения  значительна  и  может  достигать  40 . . . 50  мгэкв/100г. почвы, то  есть  до  1%  массы  почвы, но  значительная  её  часть  заполнена  кальцием  и  магнием. Поэтому, строго  говоря, кинетику  сорбции  аммония  надо  рассчитывать  совместно  с  другими  катионами  и  учитывать  ограниченную  ёмкость  поглощения. Для  упрощения  задачи  было  сделано  предположение, что  в  результате  поливов  сточными  водами  количество  поглощённого  кальция  и  магния  существенно  меняться  не  будет  и  составит  0,85 . . . 0,95  ёмкости  ППК, оставшаяся  часть  «доступна»  для  сорбции  аммония.
В  этом  случае  необходима  нелинейная  изотерма  сорбции  NH+4, которая  при  значительном  росте  концентрации  аммония, а это  может  иметь  место  сразу  после  грузного  полива  сточными  водами, ограничивала  бы  количество  поглощённого  аммония  заданным  пределом  d, но  вместе  с  тем, при  малых  концентрациях  реализовывала  закон  Генри. Предложена  следующая  изотерма  сорбции:
d                     (5.42)              
Видно, что  при  d  d  и  что  при  d  d. Вместе  с  тем  желательно  сохранить  вид  выражения     ( 5.41 ), удобный  для  расчётов, поэтому  запишем  его  в  виде:
d                            (5.43)              
где  d; а d  определяется  по  ( 5.42 ).
Иначе                                                   d
то  есть  основная  гипотеза, заложенная  в  закон  сорбции, говорящая, что  интенсивность  сорбции  пропорциональна  отклонению  содержания  сорбированного  вещества  от  равновесного, соблюдается. Решая  уравнение  ( 5.43 ), получаем:
d 
и  при  d  d.
Иными  словами, сохранён  псевдолинейный  закон  сорбции  с  переменным  коэффициентом  d, облегчающий  счёт  по  неявной  схеме, так  как  при  небольших  d  и  шагах  по  времени  не  более  1 сут.  коэффициент  d  можно  считать  по  значению  концентрации  на  предыдущий  шаг  d.
Нитрификация и аммонификация зависит  от  влажности и температуры почвы. Наиболее интенсивно они идут при влажности 0,6…0,8 ППВ, при температуре 28…30 0 С и рН=7…8. В  связи  с  этим  коэффициенты  скорости  нитрификации  приняты  изменяющимся  следующим  образом:
d                      (5.44)             
d                   (5.45)
где  d — коэффициент  скорости  нитрификации при оптимальной влажности и температуре почвы по  обобщённым  данным  И. П. Айдарова   он  равен  0,02 . . . 0,1 1/сут ;
d— коэффициент скорости аммонификации для тех же условий равен 0.00005 1/сут
d — функция, учитывающая  влажность  почвы 
d — функция, учитывающая  температуру  почвы 
где  d — средняя  температура  почвы  в  данную  декаду;
Интенсивность  денитрификации  также  находится  в  зависимости  от  температуры и влажности почвы, поэтому
d                           (5.46)              
По  И. П. Айдарову    для  чернозёмов  d  1/сут  при  влажности  почвы, превышающей  ППВ  и  температуре  порядка  28 . . . 300С.
Отбор  азота  корнями  растений  моделировался  следующим  образом. Зная  максимально  возможный  вынос  чистого  азота  растениями  и  урожайность   при  высоком  азотном  питании, которые  зависят  от  вида  растений, почвенно-географических  условий  и  водно-воздушного  режима  почв, с  помощью  модели  урожайности определяется  вынос  чистого  азота  WAZ  г/м2, за  вегетацию. Далее  вынос  распределялся  по  декадам  вегетации. Для  этого  использовались  применяемые  В. В. Шабановым  коэффициенты   вклада  декады  в  конечную  продуктивность  или  урожайность  d, где  d— номер  декады, при  этом  d, где  n — число  декад  в  вегетационном  периоде. Поэтому  скорость  выноса  чистого  азота  составит
d, грэкв/м2/сут                   (5.47)          
где  10 — число  дней  в  декаде;
14 — атомный  вес  азота.
Потребление  растениями  в  виде  NH+4  или  NO-3  принималось  зависящим  от  соотношения  их  концентраций  в  почвенном  растворе, средних  по  всей  глубине  корнеобитаемой  зоны  d  и  d, в  соответствии  с  уравнением  кинетики  Михаэлеса - Ментона:
d; d       (5.48) 
где  d — константа  Михаэлиса, грэкв/м3в  или  мгэкв/литр.
Суточное  потребление  азота  необходимо  распределить  по  глубине  корнеобитаемой  зоны. Использовалась  наиболее  простая гипотеза, заключающаяся  в  том, что интенсивность отбора азота прямо пропорциональна интенсивности отбора влаги корнями растений, так  как  по  имеющимся   в  литературе  сведениям  азот  в  корни  поступает  преимущественно  конвективным  путём  вместе  с  почвенной  влагой. Поэтому:
d, грэкв/м3/сут              (5.49)                     
d, грэкв/м3/сут                 (5.5)                       
Уравнения  ( 5.38 )  и  ( 5.39 )  решаются также  конечно - разностным  методом с использованием способа прогонки по аналогии с решением уравнения передвижения влаги.
В результате для всех блоков вслед за решением уравнения влагопереноса получаем  на  каждый   шаг по  времени    эпюры    концентраций аммония и нитратов, а также содержания аммония  в  почвенном  поглощающем комплексе. Это позволяет независимым образом определить все составляющие баланса аммонийного и нитратного азота: поступление с  поливной водой, отбор корнями растений, вынос ионов за пределы почвенного  слоя и за пределы  расчетной  толщи, т.е. поступление  в грунтовые воды, с учетом процессов нитрификации и денитрификации.
Подбирая нормы  и частоту  поливов, увязывая их с технологией подготовки и доставки сточных   вод,  можно минимизировать в  некоторых пределах поступление азота в грунтовые воды.

5.4.Модель продуктивности растений

                       При  поиске  оптимальных  режимов  поливов  сточными  водами  животноводческих  комплексов  необходимо  учитывать  реакцию  растений  на  изменение  влажности  почвы  в  корнеобитаемом  слое. Известно, что  требования  растений  к  влажности  почвы  изменяются  в  течение  вегетации. Для  этих  целей  в  расчётах  использовалась  модель  накопления  продуктивности, предложенная  В. В. Шабановым :
dd                            (5.51)                          
где  d — продуктивность  ( урожайность )  при  данном  варианте  режима  полива  и  соответствующей  ему  динамики  влажности  почвы  в  корнеобитаемом  слое;
d — максимально  возможная  продуктивность  при  оптимальной  для  растений  динамике  влажности;
d— вклад  i - той  декады  в  формирование  продуктивности, зависящей  от  фазы  развития  растения;
n — количество  декад  в  вегетационном  периоде;
d— коэффициент, определяющий  снижение  продуктивности  из-за  отклонения  влажности  от  оптимальной  в  i - тую  декаду:                      
d ;

d; d
d?средняя за d-тую декаду влажность почвы в корнеобитаемом слое;
d?  то же  оптимальная влажность ;
d?коэффициент, учитывающий реакцию растений на откланение влажности от оптимальной, для трав 3,5…5.

 

6.Обоснование экологически безопасной технологии
утилизации сточных вод

С помощью приведенных выше математических моделей оценим  разные варианты режимов полива разбавленными сточными водами. Рассмотрим четыре варианта, из которых два предусматривают поливы в увязке с погодными условиями (полив по "гибкому" графику), но с  разными  поливными  нормами: 45 и 60 мм, а два других - поливы  по "жесткому" графику, т.е. постоянными  нормами, как и в первых  двух вариантах и через  равные  интервалы  времени, т.е. с  одинаковыми оросительными нормами в разные годы. Воспользуемся программой, разработанной на кафедре А. И. Головановым.
Основные результаты  моделирования  вариантов  режима  поливов приведены в табл.3.
Ширину участка ИПУ (размер, перпендикулярный реки) примем равной dd которая составляет 800 м в увязке с длиной крыла дождевальной машины.
Введя в программу исходные данные, осуществим моделирование поливов по каждому варианту. Так как грунтовые воды на участке ИПУ залегают глубоко, то азот в них начинает поступать спустя 7…8 лет после начала орошения, поэтому продлим срок моделирования до 40 лет, повторив дважды погодные условия 1968 – 1987 годов с тем, чтобы иметь установившуюся картину загрязнения.
Проанализируем результаты 20 – летнего прогнозирования поливов по “гибкому” графику с поливными нормами, равными 45 мм. Средняя оросительная норма составила 508 мм, что практически совпадает с предварительно назначенными в п. 2 оросительными нормами. Довольно низкое значение предполивной влажности, раное 0,7 ППВ, и частые малые поливные нормы (в среднем 10…12 поливов за вегетацию) обеспечили незначительные потери поливных вод на просачивание вглубь в среднем 64 мм в год, которые составляют 9% от приходных статей водного баланса (осадки и поливы).
Такое инфильтрационное питание вызвало заметный подъём уровней грунтовых вод на участке ИПУ. Среднегодовая глубина грунтовых вод в его центре уменьшилось с начальной, равной 7 м, до 4,79 м. Щадящий режим полива обеспечил незначительное поступление азота в грунтовые воды. Если с поливными водами ежегодно в среднем подаётся чистого азота 397 кг/га, то в грунтовые воды поступает только 13 кг/га в год, что составляет 3,3 % подачи, следовательно, совокупность геохимических барьеров обеспечило перехват 97 % азота, поданного сточными водами.
Растения потребляют 347 кг/га азота в среднем за год при планируемом 400 кг/га. Это расхождение объясняется приближённостью ранее выполненных расчётов, в которых не учтены другие статьи баланса азота. Так, за счёт аммонификации гумуса в почвенный раствор поступает 41 кг/га азота, его потери в результате денитрификации составляют 72 кг/га, на пополнение запасов азота пошло 6 кг/га в год.
Содержание азота в инфильтрационных водах довольно значительное, в среднем составляет 20 мг/л, при допустимом содержании нитратного азота в речных водах 10 мг/л, это указывает на необходимость дополнительных мер по перехвату азота на прилегающем пойменном участке.
Помимо этого варианта поливов были рассмотрены и другие, в том числе полив по “гибкому” графику нормами 45 и 60 мм с сохранением среднемноголетних оросительных норм, а также полив речными водами, но с внесением минеральных азотных удобрений, вариант выращивания трав без орошения. Рассмотрены разные варианты организации орошаемого участка на пойме с целью перехвата потока загрязнённых грунтовых вод с ИПУ.
Поливы по "гибкому" графику с увеличенными  до  60 мм  нормами привели к росту средней оросительной нормы на 26 мм и к росту  инфильтрационного питания грунтовых вод на 22 мм, а также к большему подъему уровня грунтовых вод.
Увеличение оросительной нормы вызвало и некоторую прибавку поступившего  азота при одинаковом  потреблении его  растениями. Эта
прибавка пошла на загрязнение грунтовых вод. Повышенная  промываемость почвы ослабила геохимические барьеры, в результате  перехват азота на ИПУ несколько уменьшился: с 97% до 94%, возросло содержание азота в инфильтрационных водах.
Эти расчеты подтвердили уже известное положение о необходимости аккуратных поливов степных почв  малыми  нормами  во  избежание ухудшения их плодородия, подъема уровня грунтовых  вод и связанных с ним подтоплением, строительством дренажа и других  неблагоприятных последствий.
Поливы по  "жесткому" графику назначались так,  чтобы  средние оросительные нормы совпадали, поэтому в одном варианте  давали  11 поливов по 46 мм и с интервалами между поливами 17 суток, а в другом - 9 поливов по 59 мм с интервалом 21 сутки.
Как и следовало ожидать, такие поливы привели к увеличению инфильтрационного питания в 1,5...1,8 раза, следовательно, к недостатку  влаги для растений, что сказалось на их  урожайности, а самое главное - к росту загрязнения грунтовых вод нитратами.  При  таком графике поливов грунтовые воды в среднем за 20 лет  находились  на глубине 3,12 м или 2,86 м, а во влажные годы  глубина  уменьшалась до 2 м, что находится на  пределе  допустимого.  Уменьшить  подъем уровня грунтовых вод можно уменьшив ширину участка ИПУ.

В целом, перехват азота совокупностью  геохимических  барьеров уменьшился до 90%. Последняя характеристика говорит о том, что несмотря на качественное ухудшение экологической обстановки при поливе по "жесткому" графику, эти изменения не столь значительны, так как и в данном случае в грунтовые  воды  поступает  не более  10% азота, поданного на поля. Поэтому полив по "жесткому" графику конкурентоспособен, так как он  имеет  существенные  организационные преимущества, связанные с ненужностью большого бассейна-накопителя, который экологически тоже не безопасен из-за возможных утечек  неразбавленных стоков, а также из-за лучшего согласования  поступления и расходования последних.
Применительно к данному участку была рассмотрен случай  полива речной водой, а потребность растений в азоте  удовлетворялась  путем обычного внесения аммонийных минеральных удобрений в три  срока: в начале вегетации, после первого и второго укосов общей  нормой 400 кг/га. Поливы проводились по гибкому графику нормой 45 мм.
Показатели водного баланса, конечно, не  изменились, поступление азота в грунтовые  воды  уменьшилось с  13 до  11 кг/га/год по сравнению с поливом сточными водами по такой же  схеме. Содержание
азота в инфильтрационных водах также  несколько уменьшилось: с 20 до 17 мг/л. Такое уменьшение отрицательных воздействий объясняется тем, что удобрения вносят в самый  верхний  слой  почвы, тогда как при поливе сточными водами соединения азота проникают вместе с поливной водой в почву глубже и часть из них  вымывается  за пределы корнеобитаемой зоны.
Это сравнение говорит о том, что аккуратный полив сточными  водами не намного опасней с точки зрения загрязнения  природной среды. Опасность загрязнения возрастает при повышенных поливных  нормах, при повышении содержания веществ в поливной воде (при  уменьшении разбавления стоков) и при повышении порога пред- поливной влажности почвы. Однако все эти показатели  легко  регулируются,  что позволяет уменьшить угрозу загрязнения.
Был также рассмотрен случай  выращивания тех же трав в  богарных условиях, т.е. без орошения. В такой засушливой  зоне  урожайность трав в среднем за 20 лет составила 36% от максимальной с колебаниями  по годам от 14% до 61%, что соответствует  действительному положению дел. В данной зоне урожай трав повышается в результате орошения в три-четыре раза. Малая водообеспеченность  растений и, как следствие, малый урожай не требуют больших норм удобрений, так как они все равно не будут использованы растениями,  поэтому в данном случае норма азотных удобрений была  принята  равной 140 кг/га.
В этом случае в  богарных  условиях  инфильтрационное  питание глубоко расположенных грунтовых вод очень мало, в среднем равно  6 мм/год, что соответствует 0,2 л/с/км2  или очень похоже  на  модуль меженного стока  небольших рек  данной  зоны. Поэтому  загрязнения грунтовых вод азотом, как это показывают результаты моделирования, не наблюдается. Моделирование естественной ситуации дает  непротиворечивые результаты, что  подтверждает  правильность  примененных способов прогноза.
Следующим этапом моделирования  является  оценка  ситуации  на примыкающей к ИПУ пойме: насколько возможен перехват  загрязненных подземных вод, если использовать конкретные гидрогеологические условия, организовать на пойме орошение и выращивание  тех  же  трав так, чтобы спровоцировать капиллярное подпитывание напорными  подземными водами, содержащими нитраты. Это позволяет повторно  использовать потерянные на ИПУ поливные воды, что само по себе  важно, а также содержащийся в них азот с целью экономии минеральных удобрений.
Задачей моделирования на  нижнем  пойменном  участке  является подбор его ширины LН, достаточной для защиты реки  от  загрязнения. Прогноз водного режима и содержания азота здесь осуществляется  по той же программе, но с учетом  динамики  притока  инфильтрационных вод с ИПУ и содержания в них азота. Эти величины являются результатом предыдущих расчетов, которые  оформляются в виде  специального файла, данные из которого автоматически считываются во второй серии расчетов. Величины инфильтрационного питания d    используются для определения интенсивности напорного подпитывания по формуле (5.35).
На пойменном участке предусматривается орошение  по  "гибкому" графику с поливными нормами 45 мм, так как одного притока напорных вод недостаточно для покрытия дефицита влаги. И  так  как  притока азота с напорными водами также недостаточно для получения приемлемого урожая трав, то предусматривается внесение минеральных  удобрений в виде аммонийного азота вначале и в середине вегетации после укосов. Нормы удобрений приняты заниженными во избежание загрязнения реки.
Моделировались те же 20 лет с повторением, так как  необходимо несколько лет для поступления азота в корнеобитаемый слой с глубины 4 м, т.е. из песчаного горизонта.
Результаты моделирования приведены в табл.3.
При поливе ИПУ по "гибкому" графику, с поливными нормами 45 мм т.е. при небольшой  нагрузке на грунтовые  воды, были  рассмотрены три варианта ширины орошаемого участка на поймеd:800,600 и 400 м. Чем уже участок, тем нагрузка на него больше и степень перехвата подземного потока хуже. Нагрузка грунтового питания на нижний участок определяется по формуле:
d  ;                                    (6.1)
где:
d – питание грунтовых вод мм ;
d – ширина верхнего участка м ;
d – ширина нижнего участка м.
Количество азота поступившего на нижний участок определяется по зависимости :
d                                      (6.2)
где :
d – поступление азота в грунтовые воды с верхнего участка кг/га.
Так при d=400 м подземных вод на него поступает 64·800/400=128 мм, а на напорное подпитывание пошло только  69 мм или  54%, остальной объем инфильтрационного  питания оказался не перехваченным и поступил в реку. Такая же доля  азота, поступившего на пойменный участок, оказалась не перехваченной: поступило сверху  13·800/400=26 кг/га, а в почву  попало  только  14 кг/га или те же 54%. По мере увеличения ширины орошаемого  пойменного участка его природоохранная эффективность увеличивается и при ширине 800 м можно перехватить  85% азота, потерянного на  участке ИПУ.
В целом оба участка, работающие как единый геохимический барьер, пропускают в реку всего лишь (1-0,97)·(1-0,85)=0,004 или 0,4% азота, содержащегося в сточных водах.
Так как полив сточными водами по "гибкому" графику организационно неудобен, то была определена  оптимальная  ширина  орошаемого пойменного участка при поливе по "жесткому" графику для  перехвата загрязненных подземных вод, количество  которых в  116/64=1,8 раза больше. Рассмотрев несколько вариантов (см. табл.3), делаем вывод, что при ширине пойменного участка 800 м, т.е. равной ширине участка ИПУ, общий перехват азота достаточен и равен 1-(1-0,90) · (1-0,76)=97,6%.
Останавливаясь на таком варианте работы ИПУ, получаем, что при ежегодной  подаче азота со сточными водами    на всю площадь    145 га 398·145=57710 кг. Годовое поступление в реку азота с учётом перехвата обоими участками составит (1-0,90)·(1-0,76)·57710=1385 кг/год  или 1385/365=3,8 кг/сут. При меженном расходе реки 1 м3 /сек  или  86400  м3/сут  прирост содержания азота в речной  воде  составит  3,8/86400·1000= 0,044 мг/л при ПДК азота в речной воде 10 мг/л.     Если бы все сточные  воды  поступали в реку  неочищенными, что часто имеет место, то прирост концентрации азота составил  бы  1,8 мг/л, т.е. всего только пять ферм полностью бы загрязнили довольно крупную реку.
Принятый вариант позволяет также сэкономить поливную воду  при орошении нижнего участка за счет напорного подпитывания:  оросительная норма снижается с 508 до 351 мм.
Отметим также, что принятая технология очистки сточных вод  не только эффективна с природоохранной точки зрения, но и дает ощутимый хозяйственный результат. В рассматриваемой зоне  сухих  степей получать хорошие урожаи без орошения невозможно, поэтому  орошение здесь - это обычное мероприятие, а полив сточными водами позволяет ежегодно экономить хозяйству 58 тонн дорогостоящих азотных удобрений и получать вполне приличный урожай многолетних трав.
Оценим величину урожайности при принятой технологии работы ИПУ. В программе организован счет относительной урожайности в зависимости от отклонения влажности корнеобитаемого слоя почвы от  оптимальной d  по формуле (5.51). Величины этой урожайности приведены в %, табл.3. При поливе по "гибкому" графику  нормами  45 мм  и при достаточном количестве азота урожайность практически равна потенциально возможной: 130·0,987=128 ц/га сена.
При поливе участка ИПУ по "жесткому" графику  нормой  46 мм в среднем за  20 лет урожайность снизилась до  0,85 от  максимальной или 130·0,85=110 ц/га, что объясняется несовпадением графика  поливов с дефицитом  влаги, особенно это  сказывалось в жаркий  период вегетации, когда поливы надо было бы проводить чаще. Снижение продуктивности растений из-за неоптимальной влагообеспеченности повлекло за собой и уменьшение потребления азота, которое в среднем  за 20 лет составило 309 кг/га/год при планируемом 400 кг/га.
Со всего участка ИПУ в год можно получать 145·112=15950 ц сена или 15950/1200=1,33 т на одну корову, что вполне  достаточно, чтобы удовлетворить эту часть рациона питания.
На пойменном участке в варианте LН=800 м влажность почвы  практически не отличается от оптимальной и  относительная  урожайность равна 0,96, но здесь мы сознательно  снизили  плановую урожайность до 110 ц/га и нормы азотных  удобрений до  300 кг/га во  избежание угрозы загрязнения реки, поэтому потребление растениями азота оказалось  равным  291 кг/га и фактическая  урожайность на  пойменном участке стала ниже: 110·0,96=105 ц/га. 
Следует также отметить еще один положительный результат принятого способа использования сточных вод. Он  заключается в том, что на пойменном участке из-за напорного подпитывания существенно уменьшается потребность в поливной воде: оросительная норма снижается с 508 мм до 351 мм или на 31%. В условиях сухих степей из-за дефицита воды это существенно, так как сэкономленной водой можно  дополнительно полить еще  (508-351)·145/508=45 га земель и  получить на них значительную  прибавку  урожая по сравнению с  неорошаемыми
землями.
Начальные запасы гумуса в верхнем полуметровом слое были равны 5%, за 40 лет они уменьшились до 4,1%. Нужно иметь в виду, что повышение влажности почвы в результате орошения создает лучшие условия для разложения гумуса микроорганизмами по сравнению с неорошаемыми почвами, но большая биологическая продуктивность трав сопровождается повышенным обогащением почвы  корневыми  остатками, поэтому с учетом последнего  обстоятельства, которое не учтено в программе, можно считать, что сработка гумуса будет меньшей.

7.Проектирование орошаемого участка

Для орошения сточными водами  применим  дождевальную  поливную машину ТКУ-100д, специально предназначенную для этих целей. Техническая характеристика трех модификаций этой машины приведена в таблице 4.
При ширине участка 800 м принимаем две одновременно работающие машины модификации 01. За один час  чистого  времени  они  способны вместе полить 1,64 га, продолжительность полива всего участка равна 145/1,64=89 часов или при двухсменной работе: 89/12=8 сут. Следовательно, двух машин вполне достаточно, так как  расчетная  продолжительность межполивного периода равна 17 суткам.
При площади участка 145 га и ширине 800 м длина  его  составит 1830 м. Оросительная сеть на участке простая: по его середине надо уложить трубопровод и установить на нем  1830/30=61 гидрант, к которым будут подсоединяться по очереди обе машины.
При скорости течения воды в трубопроводе 2 м/с и расходе 2·102= 204 л/с площадь поперечного сечения трубопровода равна F=0,102м2, диаметр ddd м.
Оросительная сеть на пойменном участке будет такой же при применении однотипных машин, что удобно по организационным причинам.
Суммарный расход поливной воды при одновременной работе  четырех машин составит 0,4 м3 /с. Расход воды в реке в межень  равен  1 м3 /с. Это означает, что забирать такое количество воды  из  живого тока реки нельзя. Поэтому здесь возможны два варианта: или подключить проектируемые участки к  существующей  оросительной  системе, или если это невозможно, то надо строить на реке  небольшое  водохранилище выше по течению реки,  чтобы  не  затапливать  пойменный участок.

 

Таблица 4.

Техническая характеристика дождевальной машины ТКУ – 100Д.

Наименование параметров

Модификация машины

01

02

03

Тип машины

Многоопорная, фронтальная, позиционного действия от гидрантов закрытой сети.

Водозабор

От гидрантов закрытой оросительной сети

Расход воды, л/с

102

78

52

Давление на гидранте, МПа

0,55

0,53

0,51

Допустимые уклоны земли

Не более 0,025

Габаритные размеры крыла, м;
длина,
шрина
высота

 

 

 

390

290

190

6,0

2,1

Высота трубопровода от земли, м

0,85

Масса машины, т

6,5

4,9

3,3

Количество дождевальных аппаратов, шт

32

24

16

Тип дождевального аппарата

Односопловый, среднеструйный

Расход, л/с

3,2

Радиус действия, м

32

Интенсивность дождя, мм/мин

0,22

Расстояние между оросителями, м

800

600

400

Расстояние между гидрантами, м

30

Площадь, поливаемая с 1 позиции, га

2,4

1,8

1,2

Производительность за 1час основного времени при норме 600 м3/га, га
450 м3/га, га

 

0,61
0,82

 

0,47
0,62

 

0,31
0,42

Коэффициент использования времени

0,81

Продолжительность работы

Световой день

Обслуживающий персонал

Один машинист на 2 машины

Требования к поливной воде:
Содержание твёрдых частиц,  %
Максимальный размер твёрдых частиц, мм pH воды

 

Не более 2
10
6-8

 

Приближенно определим емкость водохранилища, исходя из потребности в воде в самый сухой год. Оросительная норма на ИПУ  принята постоянной, но на пойменном участке поливать надо по "гибкому" графику. В табл. 4 средняя  оросительная  норма  равна 351 мм, но наибольшая за 20 лет 749 мм. Следовательно потребность  в  воде  в сухой год составит (7490+5080)·145=1,8 млн.м3 . Потери на испарение и фильтрацию из водохранилища, а также мертвый объем в сумме  примем равным 0,5 от полезного, тогда общий объем водохранилища равен 2,7 млн.м3 . При средней глубине водохранилища 4 м площадь  зеркала составит 2700000/4/10000=68 га, что в 4 раза меньше площади  обоих орошаемых участков.
Строительство водохранилища приведет к ухудшению экономических
показателей проекта, так как будут затоплены плодородные пойменные земли и хозяйство не будет получать с них продукцию.
Для подачи воды на оба участка можно использовать  передвижные насосные станции, например, СНП-240/30 с подачей от 160 до 340 л/с.
Участки должны быть оборудованы скважинами для  наблюдения  за глубинами грунтовых вод и содержанием в них загрязняющих веществ. Необходимо разместить 3 створа скважин, пересекающих оба  участка, в каждом створе надо разместить по 3...4 скважины на каждом участке, всего потребуется 18...24 скважины. Глубина скважин на участке ИПУ около 7 м, на пойменном - 3 м.
Определим объем бассейна-накопителя при поливе  по  "жесткому" графику. Годовой объем стоков равен  18863  м3 .  Продолжительность поливного периода составляет 190 суток, следовательно, в  бассейне приходится накапливать стоки за холодный период продолжительностью 365-190=175 суток, для этого нужен объем  бассейна  18863:365·175=9044 м3 . Если поливать по "гибкому" графику с  разными  оросительными нормами, то приходится накапливать стоки во влажные годы, когда потребность в орошении уменьшается. Рассчитывая баланс  объемов стоков за 20 лет, можно определить, что объем бассейна надо увеличить в 3 раза, что повлечет за  собой  увеличение  затрат  на  его строительство.

Выводы

    1.Для недопущения загрязнения окружающей среды сточными водами животноводческой фермы необходимо организовать ирригационные поля  утилизации стоков площадью 145 га  с выращиванием  на  них  многолетних злаковых трав и обеспечить соответствующую подготовку стоков.
2.Поливы на участке ИПУ можно проводить по "жесткому"  графику нормами 45 мм, что организационно удобно и экологически безопасно.      
3.Для более полного перехвата азота на примыкающей пойме  надо организовать орошаемый участок с такой же площадью.   
4.Совокупность намеченных  мероприятий  обеспечивает  перехват 97,6% азота, содержащегося в сточных водах, позволяет экономить 58 тонн азотных  удобрений в год и получать  значительное  количество сельскохозяйственной продукции.

Литература

   1.Справочник "Мелиорация и водное хозяйство", т.6  "Орошение".    М. Агропромиздат. 1990.
2.Ведомственные  строительные  нормы  ВСН 33-2.2.01-85 "Оросительные системы с использованием животноводческих стоков". Минводхоз СССР. 1985.
3.Пособие по эксплуатации ирригационных полей  утилизации  животноводческих стоков. Минсельхоз РФ. М. 1993.
4.Технология орошения животноводческими стоками (авт.  А.М.Буцыкин и др.). М. Агропромиздат. 1987.
5.Справочник по кормопроизводству. М. Агропромиздат. 1985.
6.Голованов А. И. и др. Основы природообустройства. М. Колос 2001.