Оценка пригодности вод Главного Миль-Карабахского коллектора для орошения

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Использование воды без учета ее химического состава и качества может постепенно привести к негативным последствиям как для растений, так и для почвы. Миль-Карабахский коллектор (МКК) был построен в 1957-1965 годах для отвода дренажных вод от 155 тыс га орошаемых земель Миль-Гарабахской равнины. Миль-Карабахский коллектор общей протяженностью 152 км и расчетной производительностью 25 м3/с был реконструирован и соединен с главным Миль-Муганским коллектором через впадины, образовавшиеся между холмами на наклонной равнине вдоль реки Куры. Наблюдаемая в последние годы естественная засуха, а также антропогенные изменения, происходящие в русле реки Куры, наносят серьезный ущерб экономике страны, в том числе аграрному сектору. В период дефицита пресной воды часто приходится использовать нетрадиционную воду. Повсеместно самопроизвольно, без какого-либо научного обоснования используются в основном сточные и дренажные воды. Следует отметить, что до сих пор отсутствуют конкретные нормативные требования к качеству и составу коллекторно-дренажных вод, используемых в сельском хозяйстве. Однако в мировой науке и практике накоплен достаточно большой опыт использования высокоминерализованных дренажных и сточных вод для повторного орошения сельскохозяйственных полей [1, 2].

Ряд работ посвящен вопросам дренажа и повторного использования сточных вод для орошения [3-5].

Коллекторно-дренажные воды в основном образуются в результате просачивания воды из Верхне-Ширванского и Верхне-Гарабахского каналов, проведенных из Мингячевирского водохранилища. Межхозяйственные магистральные и внутрихозяйственные каналы также оказывают большое влияние на формирование образующихся коллекторно-дренажных вод. Потери воды в оросительных каналах достигают 35-40%. Вода, отфильтрованная из каналов, поднимает уровень грунтовых вод. В то же время в Азербайджане, относящемся к аридной климатической зоне, минерализованные воды вызывают разной степени деградацию почв в результате испарения. В ряде случаев из-за несоблюдения норм орошения речная вода сбрасывается в коллекторы через дрены и собиратели. Это одна из причин низкой минеральности воды, вытекающей из основного Миль-Карабахского коллектора.

Статистический анализ результатов исследования проведен с применением критерия χ2 (хи-квадрат) Пирсона и точным методом Фишера.

Критерий Пирсона χ2 (хи-квадрат) вычисляется по формуле:

х2 = t m

i = 1

'i - mi )2

m

'

i

где: – число разрядов наблюдаемых значений, m – эмпирические частоты, m i^’ – теоретические частоты соответствующих значений. Результаты проверены точным методом Фишера по формуле:

P f =

N! N,! N! N„!П J n 2! n2 J n22! N!

где P f — вероятность нулевой гипотезы; n ij — число в ячейке пересечения i -той строки и j -го столбца; N 1 , N 2 , N 3 и N 4 — сумма n ij соответствующих строк и столбцов; N — сумма всех n ij ; ! — знак факториала. N ! — означает произведение натуральных чисел от 1-го до N .

Корреляционный анализ проведены вычислением коэффициента корреляции Пирсона.

Существует ряд методов определения качества воды, используемой или предназначенной для орошения. В наших исследованиях было отобрано 85 проб для оценки качества воды Главного Миль-Гарабахского Коллектора и использованы следующие показатели, которые считаются наиболее распространенными и достоверными.

I классификация. Оценка по степени минеральности (М) [6].

Согласно принятой градации: если M <  0,5 г/л, то вода полностью пригодна для полива, если м = 0,5 -г 2,0 г/л, то вода пригодна для полива, если M = 2,0 г 5,0 г/л, то вода менее пригодна для полива, если М>5 г/л, орошение считается опасным.

Пример. Степень минеральности воды Главного Миль-Гарабахского коллектора составляет 1,859±0,177 (0,4-10), т.е. в среднем считается пригодной для орошения. Приниимается градация классификации «полностью пригодные» и «пригодные» образцы как «пригодные», а «менее пригодные» и «опасные» образцы как «не пригодные». Результаты лабораторных показателей отражены в Таблице 1.

Таблица 1

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО СТЕПЕНИ МИНЕРАЛЬНОСТИ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	57	67,06
Не пригодна	28	32,94
Достоверность различия	X 2=18,4 – p<0,001

Как видно из Таблицы 1, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была достаточно высокой – на 34,12% больше чем не пригодных.

II классификация . Оценка пригодности воды для орошения по коэффициенту ирригации ( К ) [7]. Если Na'- CI' <  0, то целесообразно использовать следующую формулу для определения коэффициента ирригации:

K =

5CI ~

Если Na '- CI'> 0 следующей формуле:

то предлагается рассчитывать коэффициент ирригации по

K =

Na ⁺ + 4 CI -

Согласно принятой градации: если K >18 — то вода считается полностью пригодной, если K = 6 ^ 18 , то вода пригодна, если K = 1,2 т 6 , то вода менее пригодна, если K <12, то вода не пригодна.

Пример. Коэффициент ирригации воды Главного Миль-Гарабахского коллектора составляет 33,86±2,58 (3,97-87,14), т.е. в среднем считается пригодной для орошения. Как и в первом примере, мы рассмотрели «пригодные» и «не пригодные» случаи. Результаты лабораторных показателей соответствовали Таблице 2.

Таблица 2

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ИРРИГАЦИИ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	84	98,8
Не пригодна	1	1,2
Достоверность различия		P f <0,001

Примечание. P f – вероятность нулевой гипотезы по точному методу Фишера

Как видно из таблицы, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была достаточно высокой — на 97,6% больше чем «не пригодных».

III классификация. Оценка качества оросительной воды «по процентному содержанию натрия» (Na%), которое предложено А. М. Можейко и Т. К. Воротником [8]. Для оценки качества оросительной воды по содержанию натрия рекомендуется использовать следующую формулу:

( Na %) =

Na - 100

Ca2+ + Mg2+ + Na + если Na % < 60%, то вода считается полностью пригодной, если Na % = (60 ^ 80)%, то вода менее пригодна, если Na % > 80%, то вода не пригодна. Так, высокое количество натрия вызывает увеличение количества соды и образование засоления в почве. В зависимости от количества натрия воду можно охарактеризовать как полностью пригодной или непригодной.

Пример. Процентное содержание натрия в воде главного Миль-Гарабахского коллектора была в среднем 65,27±1,34 (38,31-84,37), т.е. вода считалась менее пригодной для орошения. Мы приняли градации классификации « полностью пригодные » образцы как « пригодные », а « менее пригодные » и « не пригодные » образцы как « не пригодные ». Результаты лабораторных показателей даны в Таблице 3.

Таблица 3

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО ПО ПРОЦЕНТНОМУ СОДЕРЖАНИЮ НАТРИЯ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	28	32,9
Не пригодна	57	67,1
Достоверность различия	X 2=18,4 – p<0,001

Как видно из Таблицы 3, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была на 34,2% меньше чем не пригодных .

IV классификация. Оценка по коэффициенту потенциального поглощения (SAR) натрия [13], т.е. оценка качества поливной воды, ее способность засолить почвы — на основе коэффициента потенциального поглощения натрия:

SAR =

Na+

Ca2+ + Mg2+

если SAR <  10, то вода создает слабую степень засоления, если SAR = 10 ^ 18, то вода создает умеренную степень засоления, если SAR = 18 ^ 26, то вода создает высокую степень засоления, если ^SAR >  ²⁶ , то вода создает очень высокую степень засоления,

Пример. Коэффициент SAR в воде главного Миль-Гарабахского коллектора составлял 8,51±0,595 (2,01-30,16), что означает отсутствие опасности создания засоления в среднем. По классификации образцы со «слабым» и «умеренным» засолением мы считали пригодными , а образцы с «высоким» и «очень высоким» засолением — непригодными . Результаты лабораторных показателей даны в Таблице 4.

Таблица 4

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО КОЭФФИЦИЕНТУ SAR

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	82	96,5
Не пригодна	3	3,5
Достоверность различия		P f <0,001

Прмечание. P_f – вероятность нулевой гипотезы по точному методу Фишера

Как видно из Таблицы 4, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была достаточно высокой — на 93,0% больше чем не пригодных .

V классификация. Для оценки качества воды по процентному содержанию магния (Mg%) предлагается следующая формула [9]:

Mg % = M ^L

Ca 2++ Mg2+ если Mg % < 50%, то вода считается пригодной, если Mg % > 50%, то вода считается не пригодной, то есть если количество магния в воде превышает 50% суммы (Ca2+ + Mg2+), то оно оказывает вредное воздействие на почву.

Пример. Процентное содержание магния в воде главного Миль-Гарабахского коллектора составляло 62,57±1,24 (26,23-81,6), то есть в среднем вода считалась непригодной для орошения. Результаты лабораторных показателей распределяются, как в Таблице 5.

Таблица 5

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО ПРОЦЕНТНОМУ СОДЕРЖАНИЮ МАГНИЯ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	10	11,8
Не пригодна	75	88,2
Достоверность различия	X2=18,4 – p<0,001

Как видно из Таблицы 5, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была достаточно низкой — на 76,4% меньше чем не пригодных [10].

VI классификация. Оценка качества воды по потенциальной солености ( PD ) рассчитывалась по следующей формуле:

so ^{2 -}

PD = CI I SO⁴

если PD = 3 ^ 15 мг-экв/л, то вода считается полностью пригодной , если PD = (15 v 20) мг-экв/л, то вода считается пригодной , если PD >  20 мг-экв/л, то вода считается не пригодной для орошения.

Пример. Потенциальная соленость воды главного Миль-Гарабахского коллектора составляла 11,25±0,88 (3,89-49,14), поэтому она считалась в среднем пригодной для орошения. Мы рассмотрели «пригодные» и «не пригодные» случаи. Результаты распределения лабораторных показателей приведены в Таблице 6.

Таблица 6

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ СОЛЕНОСТИ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	79	92,9
Не пригодна	6	7,1
Достоверность различия	X 2=121,98 – p<0,001

Как видно из Таблицы 6, частота встречаемости образцов, пригодных для орошения, была достаточно высокой — на 85,8% больше чем не пригодных .

VII классификация. Еще одним индикатором опасности натриевого засоления является количество СО 3 и НСО 3 в орошаемой почве. Присутствие бикарбоната в поливной воде играет основную роль в осаждении кальция и небольшого количества магния в форме карбоната. Это вызывает изменение отношения натрия к общему количеству катионов в поливной воде и, как следствие, создает опасность натрия. В связи с этим советские ученые выделили группу слабощелочных оросительных вод [11, 13-15]:

NaHCO₃ = ( CO₃ ^{2 -} + HCO₃ ^- ) - ( Ca ²⁺ + Mg ^{2 +} )                             (9)

если в воде: NaHCO₃ <  1,25 мг-экв/л, то вода считается полностью пригодной , NaHCO₃ = (1,25 v 2,5) мг-экв/л, то вода считается пригодной , NaHCO₃ >  2,5 мг-экв/л, то вода считается не пригодной для орошения.

При оценке действия карбоната натрия следует учитывать и тип почвы. То есть, если вода содержит одинаковое количество карбоната натрия, то случай pH>7 опасен для почвы, а случай pH<7 служит улучшению почвы. Щелочность, равная 10 мг/л соды, определяемая по фенолфталеину, представляет собой верхний предел содержания соды в поливной воде.

Пример. Остаток карбоната натрия в воде Главного Миль-Карабахского Коллектора составил –6,496±0,37 (–18,8 - –3,12) и по классификации Уилкокса считался пригодным для орошения. Мы рассмотрели пригодные ( полностью пригодные+пригодные ) и не пригодные случаи.

Результаты лабораторных показателей оказались пригодными на 100% (Таблица 7).

КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО ОСТАТКУ КАРБОНАТА НАТРИЯ

Таблица 7

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	85	100,0
Не пригодна	0	–
Достоверность различия		P f <0,001

VIII классификация. По соотношению катионов соли рекомендуется использовать соотношение для оценки качества воды [12]. Если Na /( Ca + Mg ) “ ¹, то вода считается полностью пригодной, Na /(^{Ca +} Mg ) = ⁽¹ “ 4) , то вода считается пригодной , ^Na /( ^{Ca +} Mg ) >  ⁴, то вода считается не пригодной для орошения.

Пример. Соотношение катионов соли в воде главного Миль-Гарабахского коллектора составило 2,24±0,12 (0,62-5,4) и вода считается пригодной для орошения. Результаты лабораторных показателей приведены в Таблице 8.

Таблица 8 КАЧЕСТВО ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА ПО СООТНОШЕНИЮ КАТИОНОВ СОЛИ

Качество воды	Абс.	%
Пригодна	79	92,9
Не пригодна	6	7,1
Достоверность различия	X2=121,98 – p<0,001

Так, по 6 из 8 наиболее распространенных и достоверных критериев оценки качества воды, вода главного Миль-Гарабахского коллектора — пригодна для орошения, и только по 2 к ите иям (со е жание нат ия (III класс) со е жание магния (класс V)) — непигодна

(Рисунок 1).

Пригодна                 Не пригодна

Рисунок 1. Результаты оценки уровня пригодности вод Главного Миль-Гарабахского Коллектора для орошения по 8 критериям

Одновременно, на основе эмпирических данных исследовалась корреляционная связь между показателями по всем восьми критериям. Рассчитанные коэффициенты корреляции Пирсона представлены в Таблице 9.

Таблица 9

КОЭФФИЦИЕНТЫ КОРРЕЛЯЦИИ ПИРСОНА

ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ ГЛАВНОГО МИЛЬ-ГАРАБАХСКОГО КОЛЛЕКТОРА

Показатели	K	Na %	SAR	Mg %	PD	NaHCO 3	Na/(Ca+Mg)
M	-0,571**	0,554**	0,752**	0,036	0,697**	-0,706**	0,598**
K		-0,929**	-0,792**	-0,234*	-0,695**	0,600**	-0,822**
Na %			0,842**	0,247*	0,664**	-0,456**	0,939**
SAR				0,169	0,866**	-0,737**	0,923**
Mg %					0,040	-0,029	0,202
PD						-0,778**	0,729**
NaHCO 3							-0,462**

Примечание. Достоверность корреляционной связи: * – p<0,05; ** – p<0,01. Здесь: M – минеральность воды, K – коэффициент ирригации, Na % – процентное содержание натрия, SAR – коэффициент SAR , Mg % – процентное содержание магния, PD – потенциальная соленость воды, NaHCO 3 – остаток карбоната натрия, Na /( Ca + Mg ) – соотношение катионов соли

Как видно из Таблицы 9, существует статистически значимая положительная или отрицательная корреляционная зависимость между 2 параметрами качества воды: М (степенью минерализации) и К (коэффициентом орошения) и всеми остальными показателями. Кроме того, установлена положительная корреляция (Рисунок 2) между процентным содержанием натрия и магния (r=0,247; p<0,05). Поэтому достаточно добиться процентного снижения содержания натрия или магния, чтобы полностью обеспечить пригодность воды главного Миль-Карабахского коллектора для использования для орошения.

—- Na, %           ^^ Mg, %

Рисунок 2. Иллюстрация корреляционной зависимости между процентным содержанием натрия и магния в воде главного Миль-Гарабахского коллектора

Установлено, что между большинством показателей существуют достаточно высокие корреляционные связи. Например, связь между минеральностью воды (М), потенциальной соленостью (r=0,697; p<0,01) и соотношением катионов солей (r=0,598; p<0,01) представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3. Иллюстрация положительной корреляции между минеральностью воды, потенциальной минерализацией и соотношением катионов солей главного Миль-Гарабахского коллектора

Выводы

• 1.    Между большинством показателей воды главного Миль-Гарабахского коллектора существует достаточно высокая корреляционная зависимость. Этот фактор говорит о том, что нет необходимости проверять каждый из 8 критериев.

• 2.    Оценив качество воды коллектора по 2 критериям (степень минеральности (М) и коэффициент ирригации (К)) можно сделать предположение о других показателях.

• 3.    Наличие положительной корреляционной связи между процентным содержанием натрия и магния в воде свидетельствует о том, что достаточно добиться снижения процентного содержания одного из этих показателей для того, чтобы полностью обеспечить пригодность воды главного Миль-Гарабахского коллектора для использования в орошении.