Моделирование и обоснование проектных параметров водного и гидромелиоративного режимов почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

моделирование и обоснование проектных параметров водного и гидромелиоративного режимов почв

в.и. вихров

Показана необходимость статистического подхода при проектировании параметров водного режима почв. Изложены алгоритмы компьютерных программ ретроспективного расчета водного баланса почв в различных условиях формирования их водного режима. Приведены примеры расчетов, состав исходных данных и получаемых расчетных показателей, методика построения кривых вероятности и обеспеченности показателей неблагоприятных водных явлений и параметров гидромелиоративных режимов почв.

водный режим почва баланс

We have shown the necessity of statistical approach to projecting the parameters of water mode of soil. We have presented algorithms of computer programmes for the retrospective calculation of water balance of soils in different conditions of formation of their water mode. We have also shown examples of calculations, the initial data and obtained indicators, methods of calculating curves of probability and indicators of unfavourable water phenomena and parameters of hydro-melioration modes of soils.

Введение

Одним из проявлений современного изменения климата Республики Беларусь является усиление характерной для ее территории неустойчивости погодных условий и, как следствие, естественной влагообеспеченности сельскохозяйственных культур [1-5]. В этих условиях существенно возрастает необходимость применения статистически обоснованных методов моделирования, проектирования и прогноза водного и гидромелиоративных (осушительно-увлажнительных) режимов почв.

Наиболее объективным подходом к решению данных задач является ретроспективный расчет водного баланса почвы за длительный ряд реальных лет и получение на этой основе его обеспеченных элементов (ЭВБ), вероятности наступления неблагоприятных водных явлений (НВЯ) и проектных параметров гидромелиоративных режимов (ГМР) [6, 7]. Очевидно, что применение такого метода предполагает весьма большой объем вычислений и необходимость использования ПЭВМ.

Анализ источников

На этапе проектирования в большинстве существующих водобалансовых методов [3, 6] расчеты выполняются для так называемых типовых лет, характеризующихся различной обеспеченностью (вероятностью превышения) климатических показателей (осадков, температуры воздуха и т.п.). Очевидно, что в этом случае моделируется некий абстрактный (не существующий реально) сценарий водного режима почвы. При этом сезонный ход используемых в расчетах климатических показателей существенно сглажен и не отражает их динамику в реальные годы.

Ранее нами разработаны ретроспективные алгоритмы, основу которых составляют подекадные расчеты водного баланса почв за вегетационные периоды календарных лет многолетнего ряда с использованием базы декадных метеоданных [7, 8].

Методы исследования

На данном этапе нами сформирована и использована база декадных метеоданных за период 1945-2010 гг. по 30 опорным метеостанциям Беларуси. Компьютерное программное обеспечение предусматривает три варианта формирования водного режима почв: 1 - естественные условия формирования (программа RETRO-1); 2 - условия оросительных мелиораций (программа RETRO-2); 3 - условия осушительно-увлажнительных мелиораций (программа RETRO-3).

С целью получения сопоставимых результатов о вероятности наступления НВЯ и проектных параметров ГМР в условиях вариантов 1, 2 и 3 расчеты основаны на единых общих принципах и алгоритмах с использованием однородного исходного уравнения водного баланса корнеобитаемого слоя почвы.

Основная часть

Программа RETRO-1 моделирует естественный водный режим почв при различном залегании уровня грунтовых вод (УГВ). Программа RETRO-2 составлена для условий орошения дождеванием при глубоком залегании УГВ с переменной в течение вегетации предполивной границей. Программа RETRO-3 разработана для условий осушительно-увлажнительных мелиораций. При этом ее алгоритм построен на системном водном балансе, т.е. текущей взаимосвязи декадной динамики влагозапасов почвы и УГВ, регулируемой в пределах требуемого безопасного диапазона:

(1)

где Wiк, Wiн - влагозапасы почвы на конец и начало i-й декады, мм; КпРi - исправленные осадки, выпавшие в течение i-й декады, мм; Еi - декадное водопотребление культуры, мм; ц, Кв - коэффициенты корректировки водопотребления [1, 2] и влагообмена; Vгi - подпитывание расчетного слоя почвы от УГВ, мм; Ci - почвенный сток, мм; Нкi, Ннi - расчетный уровень грунтовых вод на конец и начало i-й декады, м; Нiс(v) - изменение уровня грунтовых вод, вызванное почвенным стоком (Сi) или подпитыванием расчетного слоя (Vгi), м; q - естественный приток или отток (-q) грунтовых вод, м/сут. nд - число суток в декаде.

В программах реализован ряд элементов совершенствования методики водобалансовых расчетов, в частности: использование коэффициента корректировки водопотребления [8] и его адаптация для декадных интервалов расчета способом итерации, переменная верхняя граница почвенного стока, переменная нижняя предполивная граница, корреляционные модели водопотребления с S-образной формой аппроксимации биологических кривых.

Для сенокосных трав используется корреляционная модель суточного водопотребления автора [8]:

(2)

где d - среднесуточный дефицит влажности воздуха, мб; Ку - параметр урожайности трав [8]; Уt0 - относительная сумма температур воздуха [8].

Введение переменной границы почвенного стока (Сi, мм) в зависимости от гранулометрического состава почв определяется на основе следующей зависимости:

Сi = КС (Wiк - Wнв) , (3)

где Wiк - влагозапасы почвы на конец i-й декады, превышающие наименьшую влагоемкость Wнв, мм; КС - коэффициент почвенного стока, зависящий от гранулометрического состава почвы (КС ? 1).

Учет текущей переменной нижней границы регулирования влагозапасов орошаемых почв (нп) с использованием нелинейной зависимости (программа RETRO-2).

Опираясь на результаты исследований [1, 9], разработана и адаптирована в алгоритм расчетов следующая зависимость для нп :

нп = 6,623exp (-3,5 tэ) tэ3,5 + , (4)

где нп - нижний предел оптимальной влажности почвы в долях наименьшей влагоемкости; - коэффициент аппроксимации; tэ - относительная эффективная (действующая) температура воздуха.

(5)

где tiср - среднесуточная температура воздуха i-й декады, С; tmin, tmax - минимальная и максимальная границы диапазона среднесуточной температуры воздуха, в котором наблюдается изменчивость нп, С.

В программе RETRO-3 необходимый контроль и регулирование УГВ согласно (1) выполняется следующим образом.

За счет почвенного стока УГВ повышается на величину

Нiс =10-3 Сi -1, (6)

где д - водоотдача почвогрунтов, рассчитываемая по формулам Г.Д. Эркина (минеральные) и А.И. Ивицкого (торфяные почвогрунты):

; (7)

д = 0,116 К3/8?Нi3/4, (8)

где Кф - средневзвешенный по слоям коэффициент фильтрации почвогрунта.

Остальные обозначения прежние

Выполняя совместное преобразование зависимостей (6)-(8), получим расчетные формулы Нi с соответственно для минеральных и торфяных почвогрунтов:

Нiс = 0,049 Сi0.750Кф-0,375; (9)

?Нiс = 0,066 Сi0,571 Кф-0,214. (10)

За счет подпитывания расчетного слоя происходит сработка УГВ на величину:

Нiv =-10-3 Vгi -1. (11)

Путем преобразования (7), (8) и (11) получим аналогичные (9) и (10) расчетные формулы:

Нiv = - 0,049 Vг0,750 Кф-0,375; (12)

?Нiv = -0,066 Vг0,571 Кф-0,214. (13)

Величина подпитывания расчетного слоя почвы от УГВ рассчитывается по формуле С.Ф. Аверьянова [2].

В результате совместного воздействия величин Нiс(v) и nДq значение Hкi согласно (1) может выходить за пределы минимальной (Hmin) и максимальной (Hmax) границ безопасного диапазона УГВ. Поэтому выполняется необходимое регулирование УГВ на начало следующей декады (Hнi+1) исходя из условий:

(14)

В первом условии выражения (14) необходимо понижение УГВ на величину ДHдi = Hmini+1 - Hкi за счет дренажного стока (Сдi, мм), равного:

Сдi = 103 Ндi . (15)

С учетом формул (7), (8) и (15) получим расчетные зависимости дренажного стока соответственно для минеральных и торфяных почвогрунтов:

; (16)

Сiд = 116Kф0,375(ДНiд)1,750. (17)

В третьем условии (14) необходимо повышение УГВ ДHm = Hкi - Hmaxi+1 за счет водоподачи в зону аэрации нормой (mбрi, мм), которая рассчитывается по формулам (16) и (17) с заменой в них ДHдi на ДHm.

Декадная норма увлажнения расчетного слоя (mнтi, мм) вычисляется традиционным способом по величине снижения Wiк относительно нижней границы регулирования влагозапасов Wнп.

В качестве основных исходных параметров для выполнения компьютерных расчетов по программам RETRO-1,2,3 вводятся: наименование опорной метеостанции и сельскохозяйственной культуры; метод расчета водопотребления культуры; расчетные многолетний и вегетационный периоды, тип и гранулометрический состав почвы. Для учета конкретных почвенных условий также вводятся: расчетный слой почвы (h, м); его наименьшая влагоемкость (нв,%); нижний предел оптимального увлажнения Кmin; коэффициенты влагообмена (Кв), фильтрации (Кф, м/сут), максимального увлажнения (Кmax) и стока (КС); максимальная высота капиллярного поднятия (Н0, м); требуемый безопасный диапазон УГВ (Нimax - Нimin, м).

Расчеты предусмотрены для следующих сельхозугодий и культур: сенокос, пастбище, капуста поздняя, свекла столовая, картофель, зерновые (ячмень и яровая пшеница). Варианты почв: песок; супесь рыхлая и связная; суглинок легкий, средний и тяжелый; торф.

На первом этапе выполняется многолетний расчет декадной динамики влагозапасов почвы. Примеры графиков расчета для одного года приведены на рис. 1 (нумерация декад дана с апреля по сентябрь). С целью сравнения специфики формирования расчетного водного режима отдельных вариантов примеры выполнены для одинаковых метеорологических условий, одной и той же почвы и культуры. Для примера взят один из контрастных по погодным условиям вегетационный период 2010 г. Как видно, расчетные графики достаточно объективно отражают реальные условия избыточного увлажнения в начале и конце вегетационного периода и экстремальной засухи в июле-августе, которая обусловила соответствующее количество поливов (рис. 1 б) и увлажнения осушаемых почв (рис. 1 в, г).

а)

н о м е р а р а с ч е т н ы х д е к а д

б)

в)

н о м е р а р а с ч е т н ы х д е к а д

Н, м

г)

н о м е р а р а с ч е т н ы х д е к а д

Рис. 1. Графики динамики влагозапасов легкосуглинистой почвы (а, б, в) и уровня грунтовых вод (г), рассчитанные для пастбища по метеостанции Горки за 2010 г.: а - RETRO-1; б - RETRO-2; в, г - RETRO-3.

На основании указанных расчетов для каждого года многолетнего ряда вычисляются сезонные показатели элементов водного баланса (ЭВБ), неблагоприятных водных явлений (НВЯ) и гидромелиоративных режимов почвы (ГМР). Состав определяемых показателей приведен в табл. 1.

Таблица 1. Состав показателей водного режима почв, рассчитываемых программами «RETRO».

На основании ежегодного расчета приведенных в табл. 1 показателей формируются их многолетние хронологические и ранжированные ряды. При этом для построения кривых вероятности векторных показателей используются возрастающие ряды, а для построения кривых обеспеченности скалярных показателей - убывающие.

С целью практического использования (получения проектных показателей) в программах «RETRO» применяются варианты кусочно-линейного, полиномиального и экспоненциального сглаживания эмпирических кривых. Предусмотрено также применение теоретических кривых распределения Крицкого-Менкеля, Вейбулла, биномиального и др. [8].

Примеры кривых обеспеченности и вероятности приведены на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Кривые обеспеченности засушливости 1-й (Ч), 2-й (_) и 3-й (?) декад мая (а -RETRO-1); вероятность наступления 1-го (Ч), 2-го (_), 3-го (?) и т.д. поливов (б - RETRO-2).

Метеостанция: Горки; культура: пастбище, почва: легкий суглинок; расчетный период: 1945-2010 гг.

Заключение

Практическое использование разработанных программ «RETRO» позволяет выполнить следующее.

1. Осуществить многолетнее моделирование водного и гидромелиоративного режимов почв.

2. Дать количественную оценку вероятности наступления неблагоприятных водных явлений на почвах сельскохозяйственного назначения в разных условиях формирования их водного режима.

3. Рассчитать проектные (обеспеченные) параметры поливного и осушительно-увлажнительного режимов почв, необходимые при проектировании и реконструкции гидромелиоративных систем.

4. Осуществить нормирование указанных параметров водного режима почв по гидролого-климатическим зонам Беларуси.

5. Обеспечить исходные статистические ряды показателей водного режима почв для исследования их пространственно-временной изменчивости, климатической трансформации и прогноза.

Литература

1. Вихров, В.И. Климатические тренды водного и гидромелиоративного режимов почв на территории Беларуси / В.И. Вихров // Природообустройство. 2009. №2. С. 48-53 .

2. Прогноз изменения окружающей природной среды Беларуси на 2010-2020 гг. / под ред. В.Ф. Логинова. Минск: Минсктиппроект, 2004. 180 с.

3. Лихацевич, А.П. Оценка факторов, формирующих неустойчивую влагообеспеченность сельскохозяйственных культур в гумидной зоне (на примере Беларуси, Центрального и Волго-Вятского регионов Российской федерации) / А.П. Лихацевич, Е.А.Стельмах. Минск: ООО «Белпринт», 2002. 212 с.

4. Стихийные гидрометеорологические явления на территории Беларуси: справочник / под ред. М.А. Гольберга. Минск: БелНИИ Центр Экология, 2002. 132 с.

5. Вихров, В.И. Климатическая трансформация многолетней динамики показателей водного режима почв на территории Беларуси / В.И. Вихров // Мелиорация сельскохозяйственных земель в ХХI веке: проблемы и перспективы: доклады Междунар. науч.-практ. конф. Минск, 20-22 марта 2007 г. Минск, 2007. С. 79-83.

6. Вихров, В.И. Методика ретроспективного проектирования осушительно-увлажнительного режима почв на территории Беларуси / В.И. Вихров // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: сб. науч. тр. Вып. 3. Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ. Рязань, 2008. С. 321-326.

7. Вихров, В.И. Методика оценки вероятности неблагоприятных водных явлений на минеральных почвах Беларуси / В.И. Вихров // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2005. №1. С. 92-94.

8. Вихров, В.И. Программы расчета вероятности неблагоприятных водных явлений и проектирования гидромелиоративных режимов почв в Беларуси / В.И. Вихров // Мелиорация переувлажненных земель. 2007. №2 (58). C. 48-57.

9. Шавлинский, О.А. Об определении нижней границы оптимального увлажнения при орошении овощных культур / О.А. Шавлинский // Проблемы мелиорации, водохозяйственного строительства и обустройства сельских территорий на современном этапе. Горки, 2001. С. 146-149.

Размещено на Allbest.ru