Современные технологии в использовании водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 626/627.004:551.579.001.25

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

Современные технологии в использовании водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве

В.Л. Бондаренко, Г.Л. Лобанов

А.В. Алиферов

Аннотация

водный сельскохозяйственный оросительный энергия

Целью работы является совершенствование технологий использования водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве на основе конвергентного подхода. На современном этапе развития агропромышленного комплекса (АПК) Северного Кавказа и Южного федерального округа, на территории которых проживает более 23 млн чел. (16,3 % от числа жителей Российской Федерации), стоит весьма амбициозная задача по созданию принципиально новых технологий использования водных ресурсов в различных технологических системах. Результаты многолетних исследований природно-технических систем «природная среда - объект деятельности - население» в области потребления водных ресурсов показывают, что главное и практически единственное направление решения данной проблемы - это совершенствование применения энергии водных ресурсов на основе современных научных подходов и создание новых технологий производства сельскохозяйственной продукции. Одним из таких научных подходов является конвергентный, который объединяет в себе достижения в фундаментальных знаниях (физике, химии, биологии, математике и др.) и отраслевых научных направлениях (материаловедении, гидрологии, гидравлике, информатике и др.). В качестве выводов следует отметить, что использование конвергентного подхода при совершенствовании существующих технологий водопользования в АПК позволило сформировать устойчивую тенденцию к более широкому применению возобновляемых источников электрической энергии на малых гидроэлектростанциях (ГЭС) с целью повышения эффективности использования водных ресурсов в действующих оросительных системах.

Ключевые слова: природа, отраслевые и фундаментальные технологии, водные ресурсы, конвергенция, принцип, природно-техническая система, ГЭС.

Annotation

The aim of the paper is to improve water management technologies in agricultural industry on the basis of a convergent approach. At the present stage of agribusiness development in the North Caucasus and Southern Federal District, on the territory inhabited by over 23 million people (16.3 % of the population of the Russian Federation) there is an ambitious task of creating radically new water management technologies in different technological systems. The multi-year research of nature engineering systems “Environment - Object of activity - Population” in the field of water consumption indicates that the main and in fact the only way to solve this problem is to improve water resources energy use on the basis of modern scientific approaches and creation of new technologies of agricultural production. One of such scientific approaches is a convergent one, which combines advances in fundamental knowledge (physics, chemistry, biology, mathematics, etc.) and in branch research areas (materials science, hydrology, hydraulics, computer science, etc.). In conclusion it should be noted that the use of a convergent approach in improvement of existing water technologies in agro-industrial allowed to form a stable trend towards increasing use of renewable sources of electricity on small hydropower plants (HPP) to improve the efficiency of water use in existing irrigation systems.

Keywords: nature, industry and fundamental technologies, water resources, convergence, principle, natural-engineering system, Hydraulic Power Plant.

Современное развитие общества как на глобальном уровне («природа - общество - человек») пространственных процессов биосферы Земли (объем биосферы Земли = 1·10¹⁰ км³), так и на локальном уровне бассейновых геосистем, в которых формируются водные ресурсы (поверхностный и подземный стоки), ведутся все виды многогранной хозяйственной и иной деятельности, характеризуется постоянным ростом актуальности всех аспектов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений между обществом и природой [1]. Системная взаимосвязь, взаимодействие и взаимоотношения между хозяйственной или иной деятельностью и природными средами (атмосферой, гидросферой, литосферой и почвенным покровом) способствуют формированию устойчивой тенденции к увеличению потребления природных ресурсов (не возобновляемых - до 85 %, возобновляемых - до 15 %), из которых наиболее жизненно важными являются водные ресурсы, и объем потребления которых превышает объем использования всех остальных ресурсов вместе взятых [2].

Следует отметить, что значительное водопотребление в различных сферах жизнедеятельности развивающегося общества обусловливается, с одной стороны, критической необходимостью для всех живых организмов и технологических процессов промышленного и сельскохозяйственного производства, а с другой стороны, уникальными физико-химическими свойствами, которые были сформированы более 4 млрд лет назад в период образования Солнечной системы из гигантского первоначального облака из газа и пыли [3]. Уникальность воды как широко распространенного природного ресурса обусловливает собой множество ее видов (атмосферная, биологическая, речная, подземная, в многолетней мерзлоте, в горных и полярных, подземных ледниках, в верхних слоях литосферы, почвогрунтовая, болотная, озерная, вода морей и Мирового океана), которые взаимосвязаны в глобальном гидрологическом процессе влагооборота. Следует также отметить, что время их использования и возобновления различно и составляет от нескольких часов (биологический вид) до 10000 лет (многолетняя мерзлота) [4].

При системном рассмотрении процессов жизнедеятельности и осуществляемых видов хозяйственной или иной деятельности как на глобальном уровне («природа - общество - человек»), так и на локальном уровне бассейновых геосистем (рисунок 1) наблюдается определенная ограниченность природных ресурсов в условиях дальнейшего развития [5].

Рисунок 1 - Схема взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений структурных элементов природно-технической системы «природная среда - объект деятельности - население»

Исходя из взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений между проводимой хозяйственной или иной деятельностью и природой, современное развитие общества характеризуется наличием ряда глобальных проблем, из которых первые три являются наиболее важными - энергия, вода и пища, и без решения которых невозможно и решение других значимых и не менее острых проблем: экологии, демографии, терроризма, военных конфликтов, болезней, образования [6].

Проблематика получения энергии, воды и пищи является основополагающей, поскольку от ее решения зависит и решение отмеченных других шести проблем. Так, например, располагая достаточным количеством доступной по цене энергии для осуществления отбора воды из природного источника (реки, озера) и возможностью ее транспортировки к конкретному водопотребителю (сельскохозяйственным растениям на орошаемом участке пашни), можно получить более высокую урожайность этих растений как необходимого продукта питания. При системном рассмотрении взаимосвязи энергии, воды и пищи можно отметить, что нехватка одного вызывает недостаток других [7]. Такой системный методологический подход к проблемам, связанным с энергией, водой и пищей, позволяет наметить реальные перспективы их решения на локальном уровне бассейновых геосистем Северо-Кавказского и Южного федеральных округов (бассейны Нижнего Дона, Кубани, Терека), на территории которых проживает более 23 млн чел. (16,3 % от числа жителей РФ) [2].

Комплексное использование водных ресурсов, формирующихся в пространственных процессах бассейновых геосистем Нижнего Дона, Кубани, Терека и в суммарном количестве составляющих 625,6 тыс. км³ в год, обеспечивается действующими водохозяйственными системами, которые базируются на гидротехнических сооружениях различных типов в количестве более 10709 шт. [2].

На основе результатов анализа речных стоков бассейнов: Дона (с площадью водосбора = 442,0 тыс. км²), Кубани (= 57,9 тыс. км²) и Терека ( = 43,2 тыс. км²) за период до 2014 г. была выявлена устойчивая тенденция к уменьшению объемов этих стоков (поверхностного, подземного) по сравнению со среднемноголетними данными. Это обусловливает сокращение объемов воды на действующих регулирующих водохранилищах и, соответственно, падение уровня воды в них (ниже НПУ) [8]. Снижение отметок уровней воды в водохранилищах ведет к ряду нежелательных последствий, связанных с уменьшением отбираемых на водозаборных гидроузлах объемов воды, падением выработки электрической энергии на действующих ГЭС, сокращением отбираемых объемов воды на орошение и понижением урожайности сельскохозяйственных культур (овощей, кукурузы и т. п.), а также других негативных явлений [7]. Характерным примером является Цимлянское водохранилище на р. Дон (с площадью водного зеркала 2702 км², полным объемом при НПУ 23,9 км³, полезным объемом 11,54 км³), комплексное использование которого связано со многими видами хозяйственной деятельности: ирригацией, судоходством, гидроэнергетикой, рыбным хозяйством, водоснабжением, рекреацией. Наблюдаемое последние три года снижение уровней воды в водохранилище ниже отметки НПУ в значительной степени отразилось практически на всех видах хозяйственной деятельности, особенно на сельскохозяйственном производстве на орошаемых землях, выработке электрической энергии, водном транспорте и рыбном хозяйстве. Следовательно, системная взаимосвязь, взаимодействие и взаимоотношения энергии, воды и пищи, отмечаемые на глобальном уровне («природа - общество - человек»), в полной мере отражаются и на локальном уровне природно-технических систем (ПТС) («природная среда - объект деятельности - население»). В этой системе в качестве «природной среды» выступают пространственные пределы бассейновой геосистемы р. Дон, «объекта деятельности» - Цимлянский гидроузел, «населения» - население, проживающее в зонах влияния «объекта деятельности» [9]. Следует отметить, что данная локальная бассейновая геосистема, в пределах которой ведется многогранная хозяйственная деятельность, является неотъемлемой частью глобальной системы биосферы Земли. И на основе взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений наиболее важных ресурсных системных составляющих (энергии, воды, пищи) эта глобальная система оказывает влияние на внутренние процессы самоорганизации локальной системы.

Решение современных проблем, связанных, к примеру, с сельскохозяйственным производством на орошаемых землях, становится возможным, если будут сформированы устойчивые тенденции к снижению удельных энергозатрат, потребления водных ресурсов и образования пищевых отходов на единицу готовых продуктов питания [10]. Результаты многолетних исследований ПТС «природная среда - объект деятельности - население» в области использования водных ресурсов показывают, что главное и практически единственное направление решения данной проблемы - это совершенствование имеющихся и создание новых технологий производства сельскохозяйственной продукции на основе современных научных подходов. Одним из таких научных подходов является конвергентный [11, 12], который объединяет в себе достижения в фундаментальных знаниях (физике, химии, биологии, математике и др.) и отраслевых научных направлениях (материаловедении, гидрологии, гидравлике, информатике и др.). В связи с этим целью работы является совершенствование технологий использования водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве на основе конвергентного подхода.

Применительно к решаемым вопросам использования водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве научно-методологический подход должен базироваться на конвергенции (сближении) имеющихся отраслевых (ОТ) и фундаментальных (БИО.Т., И.Т., К.Т. и др.) технологий (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема конвергенции отраслевых и фундаментальных технологий использования водных ресурсов в АПК

Данная схема включает в себя:

- ОТ-1 - технологию управления процессами формирования стока (поверхностного, подземного) на водосборной территории гидрографической речной сети выше створа напорного фронта водохранилищного гидроузла;

- ОТ-2 - технологию регулирования стока в расчетных створах гидрографической речной сети;

- ОТ-3 - технологию отбора расчетных расходов воды из водоисточника в систему транспортировки;

- ОТ-4 - технологию транспортировки расчетных расходов воды к водопотребителям или водопользователям;

- ОТ-5 - технологию водоподготовки для систем питьевого или технического водоснабжения;

- ОТ-6 - технологию использования воды в технологических системах питьевого водоснабжения;

- ОТ-7 - технологию водопотребления в технологических процессах промышленного, сельскохозяйственного производства;

- ОТ-8 - технологию использования воды в системах технического водоснабжения ТЭС, АЭС и ГЭС;

- ОТ-9 - технологию оптимизации снижения водопотребления непосредственными водопотребителями (корневая система растений и т. п.);

- И.Т. - информационные технологии;

- К.Т. - компьютерные технологии;

- БИО.Т. - биотехнологии;

- Т.Б.П.К. - технологию применения бионических принципов совершенствования конструкций и устройств в технических системах использования водных ресурсов;

- Т.Н.М. - технологию применения новых материалов в технологических схемах использования водных ресурсов.

Актуальность конвергентного подхода в создании новых или совершенствовании существующих технологий производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях определяется современными проблемами, связанными с выработкой энергии, использованием водных ресурсов, производством и потреблением продуктов питания. Технологический прогресс в данных отраслях хозяйственной деятельности, как показывает анализ, продолжает развиваться линейно, путем модификации, усовершенствования уже изобретенного, например, путем увеличения или уменьшения числа разбрызгивающих воду насадок в дождевальной технике и т. п. [3].

Системное изучение взаимосвязи и взаимодействия отраслевых (1-9) и фундаментальных (10-14) технологий в агропромышленном комплексе (АПК) показывает, что технологический прорыв в нем может быть достигнут путем устойчивого снижения энергетических затрат при использовании невозобновляемых источников энергии (НИЭ) и объемов водных ресурсов [5]. Снижение энергозатрат при использовании НИЭ в значительной степени связано с потреблением электрической энергии, вырабатываемой на ТЭС, АЭС, ГРЭС, и применяемыми агротехнологиями в производстве продуктов питания.

В ходе проведенных исследований водохозяйственного комплекса Ростовской области установлено, что значительный объем электрической энергии, необходимой для АПК, можно получить на базе существующих и действующих гидротехнических сооружений (ГТС) оросительных систем, имеющих перепады уровней до 5 м. Результаты проведенных предварительных расчетов (таблица 1) показывают, что при устройстве малых ГЭС на базе действующих ГТС Ростовской области появляется возможность создания внутрисистемных источников энергии с установленной суммарной мощностью 66,6 МВт и годовой выработкой электроэнергии порядка 570 млн кВт·час, что позволит значительно уменьшить энергозависимость АПК, а также внедрить энергосберегающие технологии как на орошаемых землях, так и в АПК в целом.

Таблица 1 - Основные интегральные показатели малых ГЭС на действующих ПТС в зависимости от планируемой нормы прибыли

Анализируя интегральные показатели малых ГЭС (таблица 1), можно сказать, что после проведения соответствующего научного обоснования их устройство на ГТС оросительных систем (Азовской, Багаевской, Садковской, Пролетарской и др.) позволит в определенной мере обеспечить дешевой электрической энергией сезонную работу действующих насосных станций, дождевальных машин и других необходимых объектов. Устойчивое снабжение доступной электроэнергией оросительных систем за счет устройства малых ГЭС позволит усовершенствовать технологию использования водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве и создаст возможности для внедрения еще более эффективных технологий на оросительных системах АПК Ростовской области.

Выводы

1 Исходя из полученных результатов исследований, можно отметить, что совершенствование технологий использования водных ресурсов в пределах оросительных систем, базирующееся на конвергенции отраслевых и фундаментальных технологий, имеет обоснованное перспективное практическое применение в целях экономии как энергозатрат, так и водных ресурсов.

2 Совершенствование технологий использования водных ресурсов за счет устройства малых ГЭС на гидротехнических сооружениях оросительных систем в Ростовской области позволит создать внутрисистемные источники электроэнергии с годовой выработкой порядка 570 млн кВт·ч и в определенной мере обеспечить дешевой энергией сезонную работу различных объектов данных систем (насосных станций, дождевальных машин и др.), что приведет, в свою очередь, к снижению стоимости продуктов растениеводства.

Список использованных источников

1 Экологическая безопасность в природообустройстве, водопользовании и строительстве: экологическая инфраструктура бассейновых геосистем: монография / В. Л. Бондаренко, В. В. Приваленко, Г. М. Скибин, В. Н. Азаров. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 308 с.

2 Решение экологических проблем при проектировании гидротехнических сооружений (на примере бассейновой геосистемы Верхней Кубани): монография / В. Л. Бондаренко, В. В. Приваленко, А. В. Кувалкин, С. Г. Прыганов, Е. С. Поляков; ЮНЦ РАН. - Ростов н/Д. - Черкесск, 2009. - 360 c.

3 Уэббер, М. Задача для всей планеты / М. Уэббер // В мире науки. - 2015. - № 4. - С. 65-71.

4 Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2009 году». - М.: НИА-Природа, 2010. - 288 с.

5 Проблемы и перспективы использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе России: монография / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, С. М. Васильев [и др.]; под общ. ред. В. Н. Щедрина; ФГНУ «РосНИИПМ». - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. - 342 с.

6 Кармаль, А. Г. Карачаево-Черкесия: эколого-географические проблемы / А. Г. Кармаль. - Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 1999. - 200 с.

7 Повышение эффективности использования оросительной воды природно-техническими системами в сельскохозяйственном производстве / В. Л. Бондаренко, Н. А. Иванова, А. В. Кувалкин, Г. Л. Лобанов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2015. - № 3(19). - С. 171-186. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=351&id=365.

8 Румянцев, И. С. Экологические проблемы водохранилищ России и конструктивная гидроэкология / И. С. Румянцев, Д. В. Козлов // Гидротехническое строительство. - 1999. - № 6. - С. 53-54.

9 Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин [и др.]. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. - 88 с.

10 Дуб, А. В. Технологии на вырост / А. В. Дуб // В мире науки. - 2015. - № 4. - С. 32-38.

11 Ковальчук, М. В. Конвергенция наук и технологий - прорыв в будущее / М. В. Ковальчук // Российские нанотехнологии. - 2011. - Т. 6. - № 1-2. - С. 13-23.

12 ISO/IEC 10746-2:1996. Information Technology - Open Distributed Processing - Reference Model: Foundations. Recommendation ITU-T X.902 (1995).

Бондаренко Владимир Леонидович

Ученая степень: доктор технических наук

Ученое звание: профессор

Должность: профессор

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421

E-mail: Priroda-ngma@mail.ru

Лобанов Георгий Леонидович

Ученая степень: кандидат технических наук

Ученое звание: доцент

Должность: старший научный сотрудник

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421

E-mail: lgl@novoch.ru

Алиферов Алексей Вячеславович

Должность: аспирант кафедры техногенной безопасности и природообустройства

Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Российская Федерация, 346428

E-mail: Priroda-ngma@mail.ru

Размещено на Allbest.ru