Введение

В условиях глобального изменения климата и сокращения ресурсов пресной воды опреснение минерализованных грунтовых и дренажных вод приобретает стратегическое значение. Процесс обратного осмоса (RO), основанный на очистке воды от растворенных солей, ионов и микроорганизмов под высоким давлением с помощью полупроницаемых мембран, является актуальным решением для промывки почв от солей и улучшения их эколого-мелиоративного состояния [1, 2].

На сегодняшний день технологии обратного осмоса широко внедрены во многих странах мира и рассматриваются как одно из наиболее эффективных решений проблемы дефицита пресной воды. Саудовская Аравия является одним из мировых лидеров в области опреснения воды и активно внедряет современные мембранные технологии, направленные на повышение эффективности водоочистки и снижение энергозатрат. Развитие и совершенствование технологий опреснения способствует расширению возможностей их применения не только для обеспечения населения питьевой водой, но и для улучшения мелиоративного состояния засоленных земель [3]. В Среднеазиатском регионе, включая Узбекистан, проблема вторичного засоления орошаемых земель усугубляется на протяжении последних десятилетий вследствие интенсификации ирригации и деградации дренажных систем [4].

Цель исследования – оценка основных свойств лугово-аллювиальных почв, их эколого-мелиоративного состояния, степени засоления почв и вод с применением современных технологий, а также разработка комплексных мер, направленных на их интенсивное улучшение.

Материалы и методы исследования

Полевые исследования проводились на базе Хорезмской научно-опытной станции (филиал Института почвоведения и агрохимических исследований), расположенной в массиве им. С. Каландарова Ургенчского района. В качестве объекта изучения были выбраны орошаемые лугово-аллювиальные почвы, характеризующиеся различной степенью и химизмом засоления, типичные для условий низовьев Амударьи.

Полевой опыт был заложен на учетных делянках площадью 10×10 м (100 м²) каждая. Всего было выделено шесть опытных участков: пять из них (2V, 6V, 7V, 12V, 22V) подвергались промывке водой, опресненной методом обратного осмоса; один участок (29V) служил контролем, имел сопоставимую исходную степень засоления и промывался той же нормой воды, но с использованием необработанной дренажной воды коллектора Туранги-сака (минерализация 4,187 г/л (табл. 1), без применения технологии обратного осмоса.

Промывная норма на всех делянках, включая контрольную, составила 4000 м³/га, что для площади 100 м² соответствует объему 40 м³ воды на участок. С учетом производительности установки обратного осмоса (500 л/ч) подача воды на каждую делянку осуществлялась непрерывно в течение четырех суток.

Отбор почвенных проб на каждой делянке производился в одной точке, послойно, из трех генетических горизонтов: 0–30, 30–70 и 70–100 см, дважды – до и после промывки; в таблицах приведены средневзвешенные значения для слоя 0–100 см.

Исследования были проведены в полевых, лабораторных и камерных условиях по общепринятым в почвоведении стандартным методам. Отбор проб почвы и лабораторные анализы выполнены по «Руководству по химическому анализу почв» Е. В. Аринушкиной [5]. Математико-статистическая обработка полученных данных проводилась на основании методического руководства Б. А. Доспехова «Методика полевого опыта» [6] с использованием программы Microsoft Excel. Сравнение состояния почв до и после промывки в пределах каждой делянки проводилось по парному принципу (n = 6 делянок: 5 опытных и 1 контрольная) с применением парного t-критерия Стьюдента при уровне значимости p < 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Гидрогеологические условия аридной зоны республики, в частности Хорезмской области, являются доминирующим фактором, определяющим динамику почвообразовательных процессов. Данные условия формируют потенциал плодородия орошаемых почв, степень и химизм их засоления, аккумуляцию гумуса и питательных элементов, а также количественное соотношение гипса и карбонатов в почвенном профиле. Вместе с тем уровень минерализации и химический состав грунтовых вод фундаментально определяют водно-физические, физико-химические и биологические свойства почв, а также их общее мелиоративно-экологическое состояние. Именно гидрогеологический режим служит основным детерминантом дифференциации типов почв с различной степенью гидроморфности (автоморфных, полугидроморфных и гидроморфных).

Эволюция почвенного покрова Хорезмского оазиса происходила преимущественно под влиянием многовекового устойчивого (стабильного) режима оазисного гидроморфного увлажнения. Почвенный покров региона дифференцирован по генезису, периоду орошения (староорошаемые, новоорошаемые, новоосвоенные), а также по степени и химическому типу засоления [7].

Участки, выбранные для проведения исследований в Ургенчском районе, представлены в основном орошаемыми лугово-аллювиальными почвами и характеризуются следующим образом: согласно результатам оценки качества почв, проведенной Институтом почвоведения и агрохимических исследований в Хорезмской области в 2025 г., данный тип почв является доминирующим в Ургенчском районе. Он занимает около 92,3 % (24,8 тыс. га) от общей площади орошаемых земель района, составляющей 26,9 тыс. га. Почвы сформировались в условиях устойчивого гидроморфного режима вследствие близкого залегания уровня грунтовых вод (1,0–2,5 м) [8].

На сегодня системы обратного осмоса занимают прочные позиции на рынке водоочистного оборудования. Системы обратного осмоса предназначены для бытового использования и очистки питьевой воды, а также эффективно обессоливают подземные и минерализованные воды, удаляя до 90–99 % вредных минералов, тяжелых металлов, вирусов и бактерий [9].

Основными сферами применения систем обратного осмоса являются подготовка (обессоливание) воды для технологических процессов в пищевой, сельскохозяйственной, химической, гальванической, микроэлектронной и фармакологической промышленностях.

Исходя из целей прикладного проекта, для очистки минерализованных вод была использована установка серии «ТК» производительностью 500 л/ч (рис. 1), произведенная на предприятии «Turon Komplekt» в Ромитанском районе Бухарской области.

Процесс очистки и опреснения воды в используемой установке осуществляется в пять последовательных этапов, основанных на принципах механической, физико-химической и мембранной фильтрации.

Грубая очистка (фильтрация через кварцевый песок). Данный этап основан на механической фильтрации через слой кварцевого песка с калиброванным гранулометрическим составом.

Механизмы фильтрации: сетчатый эффект (Straining): удержание частиц, размер которых превышает поры фильтра. Инерционное соударение: отклонение тяжелых частиц от линии тока воды под действием инерции.

Адсорбционно-интервенционный механизм: прилипание мелких частиц к поверхности зерен песка. Эффективность: удаление взвешенных веществ (SS), снижение мутности и частичное удержание коллоидных частиц. Это защищает последующие узлы от преждевременного загрязнения [10].

Сорбционная фильтрация (активированный уголь). Процесс основан на адсорбции загрязняющих веществ. Свойства: благодаря высокой удельной поверхности активированного угля (≈ 800–1200 м²/г) эффективно удерживаются органические соединения, активный хлор и хлорорганические примеси, а также устраняются неприятные запахи и цветность. Механизмы: силы Ван-дер-Ваальса, физическая адсорбция и частичная хемосорбция. Значимость: удаление свободного хлора предотвращает окислительную деградацию полимерной мембраны обратного осмоса [11].

Умягчение воды (ионный обмен на катионите). Процесс направлен на снижение жесткости воды. Используется сильнокислотный катионит в R-Na-форме. Химизм процесса:

Результат: ионы жесткости (Ca2+, Mg2+) замещаются ионами натрия. Это предотвращает образование отложений солей CaCO3 и CaSO4 на поверхности мембраны.

Тонкая очистка (5-микронный полипропиленовый картридж). Относится к микрофильтрации. Механизм: глубинная фильтрация с порогом удержания ~5 мкм. Функция: удержание остаточных взвесей, мелкого песка, ржавчины и угольной пыли. Оптимизирует показатель мутности и индекс плотности ила (SDI), что критически важно для долговечности мембраны [12, 13].

Обратный осмос (RO-мембрана). Ключевой этап системы, основанный на мембранном разделении под высоким давлением. Физическая сущность: в отличие от естественного осмоса, где растворитель перемещается в сторону большей концентрации, в процессе RO под воздействием внешнего давления, превышающего осмотическое, вода проходит через полупроницаемую мембрану в обратном направлении. Принцип действия: полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды, но задерживает 95–99 % растворенных солей. Выход: разделение исходного потока на пермеат (опресненная вода) и концентрат (рассол, направляемый в дренаж) [11, 14].

Сравнительный химический анализ исходной (дренажной) воды и пермеата установки обратного осмоса позволил оценить эффективность очистки по основным показателям.

Сравнительный анализ показал, что установка обратного осмоса обеспечила снижение общей минерализации (TDS) исходной дренажной воды с 4061,0 до 1035,0 мг/л, что соответствует степени очистки около 74,5 % (табл. 1).

Рис. 1. Технологическая схема мобильной установки обратного осмоса серии «ТК» производительностью 500 л/ч Примечание: составлен авторами на основе данных ООО «Turon Komplekt»

Таблица 1

Химический состав исходной (дренажной) воды и пермеата установки обратного осмоса

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Наиболее выраженное снижение отмечено по содержанию хлоридов (с 681,0 до 108,0 мг/л, на 84,1 %) и сульфатов (с 1698,0 до 302,0 мг/л, на 82,2 %). Показатель SAR (Sodium Adsorption Ratio) снизился с 7,02 до 0,79, что отражает существенное уменьшение натриевой нагрузки на почву и снижает риск осолонцевания при использовании пермеата для промывки.

Снижение показателя SAR с 7,02 до 0,79 согласуется с современными критериями оценки качества оросительной воды [15], согласно которым более низкие значения SAR соответствуют сниженному риску осолонцевания почв. Образующийся при опреснении концентрат (рассол) требует отдельного контролируемого управления во избежание вторичного засоления территории при его сбросе в дренажную сеть [16].

На орошаемых землях накопление солей под воздействием антропогенных факторов и возникновение процессов вторичного засоления, а также степень их интенсивности напрямую зависят от ряда факторов. К ним относятся: качество поливных вод; концентрация почвенного раствора; состояние и параметры грунтовых вод; рельеф местности и геоморфолого-литологические условия; степень дренированной территории; ирригационно-хозяйственные условия; виды сельскохозяйственных культур и нормы орошения. Динамика гидрогеологических параметров и химический состав грунтовых вод находятся в прямой зависимости от синергетического воздействия вышеуказанных факторов, что проявляется в сезонной флуктуации уровня минерализации.

Результаты исследований авторов по применению интегрированных технологий борьбы с первичным засолением, проведенных на опытных полях Хорезмского филиала, показали, что уровень залегания грунтовых вод колебался в пределах 150–165 см. При этом степень минерализации составила 3,308–3,654 г/л, что согласно классификации минерализации вод В. А. Приклонского (в модификации О. К. Комилова и А. У. Ахмедова) позволило классифицировать их как группу среднеминерализованных (3–10 г/л) грунтовых вод. В пробах воды, отобранных из почвенных разрезов, содержание иона HCO3 варьировалось в пределах 0,473–0,511 г/л, иона Cl 0,517–0,597 г/л, иона SO4 1,214–1,449 г/л. Содержание легкорастворимого Ca в воде на разрезах опытных участков составило 0,194–0,282 г/л (табл. 2).

Установлено, что минерализация дренажных вод коллектора Туранги-сака, обеспечивающего опытный участок, составляет 4,187 г/л, что относится к группе среднеминерализованных вод (3–10 г/л). Минерализация оросительных вод левобережной системы Амударьи (А-22:03-3641) классифицируется как слабая (1–3 г/л) с содержанием сухого остатка 1,124 г/л. Тип засоления во всех случаях определен как хлоридно-сульфатный, а в катионном составе преобладают магний и кальций.

Сравнительный анализ среднего содержания солей в слое почвы 0–100 см до и после применения технологии обратного осмоса показал значительную эффективность метода. Исходное содержание сухого остатка в почве опытных участков варьировалось в пределах 0,217–0,722 %, а после проведения промывки опресненной водой составило 0,168–0,626 %.

Таблица 2

Глубина залегания грунтовых вод, степень минерализации и химический состав дренажных и оросительных вод на орошаемых землях учебных опытных участков Хорезма

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Таблица 3

Результаты расчета и сравнительного анализа влияния технологии обратного осмоса на мелиоративное состояние орошаемых лугово-аллювиальных почв учебного опытного участка

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

При этом наблюдалось пропорциональное снижение содержания всех остальных химических элементов. В сравнении с участками, где промывка осуществлялась обычными оросительными и дренажными водами, использование воды, очищенной методом обратного осмоса, продемонстрировало более высокую мелиоративную эффективность.

Согласно полученным результатам, на всех опытных участках, где проводилась промывка почв водой, опресненной с использованием технологии обратного осмоса, наблюдалось устойчивое снижение содержания сухого остатка. В частности, было установлено уменьшение минерализации в разрезе 2V с 0,722 до 0,626 %, в разрезе 6V – с 0,217 до 0,168 %, в разрезе 7V – с 0,399 до 0,321 %, в разрезе 12V – с 0,546 до 0,413 %, а на участке 22V содержание сухого остатка снизилось с 0,469 до 0,375 %.

При сравнении эффективности технологии обратного осмоса на контрольных участках была зафиксирована обратная тенденция. В частности, на участке 29V отмечено увеличение содержания сухого остатка с 0,918 до 1,042 %. Данный факт при сопоставлении с опытными вариантами указывает на наличие существенной разницы в динамике солевого режима и подтверждает высокую мелиоративную значимость применения опресненной воды (табл. 3).

Статистический анализ данных показал, что среднее содержание солей в почве после промывки опресненной водой снизилось на 18,9 %. При этом уменьшение стандартного отклонения (с 0,186 до 0,166) указывает на выравнивание солевого режима по всему опытному участку (табл. 4).

Для более наглядного представления изменений содержания сухого остатка в почве под воздействием технологии обратного осмоса, средние значения и их распределение были отображены на диаграмме. Как видно из представленных данных, после применения обратного осмоса содержание сухого остатка существенно снизилось. Применение парного t-критерия Стьюдента для пяти опытных делянок (2V, 6V, 7V, 12V, 22V) подтвердило статистическую значимость снижения содержания сухого остатка после промывки опресненной водой (t = 6,59; df = 4; p ≈ 0,003), что указывает на устойчивый, неслучайный характер наблюдаемого эффекта в пределах исследованной выборки. При этом следует учитывать, что контрольный вариант (29V) был представлен лишь одной делянкой, что не позволяет провести формальное статистическое сравнение между опытной и контрольной группами; сопоставление с контролем носит описательный характер и требует подтверждения на расширенной выборке в последующих исследованиях.

Таблица 4

Статистические показатели изменения содержания сухого остатка в почве

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Рис. 2. Динамика изменения содержания сухого остатка в почве до и после промывки опресненной водой Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Полученные результаты предварительно свидетельствуют о потенциальной эффективности технологии обратного осмоса в снижении содержания солей в почве (рис. 2).

Ограничения исследования. Представленные результаты носят предварительный характер и получены на ограниченной выборке (пять опытных делянок и одна контрольная, без внутриделяночной повторности), в течение одного промывного цикла, на одном опытном участке Ургенчского района. Гидравлические и энергетические параметры установки (рабочее давление, recovery rate, удельный расход энергии), а также данные по урожайности и экономической эффективности применения технологии не были включены в рамки данного этапа исследования и подлежат уточнению в последующих публикациях.

Заключение

На основании проведенных исследований установлено следующее.

Эффективность опреснения. Технология обратного осмоса предварительно продемонстрировала высокую эффективность в подготовке промывных вод – содержание общей минерализации (TDS) исходной дренажной воды снизилось с 4061,0 до 1035,0 мг/л (на 74,5 %). Это позволяет рассматривать местные минерализованные подземные и дренажные воды как потенциальный ресурс для мелиорации в условиях дефицита пресной воды.

Мелиоративный эффект. Промывка почв опресненной водой привела к существенному снижению содержания сухого остатка в слое 0–100 см – в среднем на 18,9 %. В частности, зафиксировано снижение минерализации на опытных участках с исходных 0,470 до 0,381 %.

Преимущество перед традиционными методами. В отличие от опытных участков, на контрольных вариантах (без применения RO-технологии) наблюдалась тенденция к вторичному засолению, где содержание сухого остатка увеличилось с 0,918 до 1,042 %. Это подтверждает, что использование воды с высокой минерализацией для промывки может быть неэффективным и приводить к ухудшению состояния почв.