Размещено на http://www.allbest.ru/

Методологические принципы построения адаптивной корреляционной модели суточного водопотребления трав

В статье выполнено обобщение методологических принципов, предложенных и использованных автором в процессе экспериментально-теоретических исследований водопотребления орошаемых многолетних трав. Приведены основные этапы и результаты разработки корреляционной биоклиматической модели суточного водопотребления многолетних трав, полученные при реализации указанных методологических принципов. При обосновании расчетной модели использованы методы кросскорреляционного анализа, преобразования и пошаговой замены зависимой переменной. Показано преимущество и практическая приемлемость усовершенствованной корреляционной модели суточного водопотребления.

The article generalizes methodological principles, suggested and used by the author in the process of experimental-theoretical research into the consumption of water by irrigated perennial grasses. We have shown the main stages and results of development of correlation bioclimatic model of daily consumption of water by perennial grasses, obtained by realization of these methodological principles. For the basing of calculated model we used methods of cross-correlation analysis, transformation and step-by-step replacement of the dependent variable. We have shown the advantage and possibility of practical application of the improved correlation model of daily water consumption.

Введение. Водопотребление сельскохозяйственных культур или суммарное испарение (Е, мм) представляет собой суммарный расход влаги на физическое ее испарение с поверхности почвы и транспирацию растений за рассматриваемый промежуток времени (вегетационный период, декаду, сутки и т. п.). Величина Е является важнейшим показателем влагообеспеченности и продуктивности растений, а также основным наиболее трудноопределимым элементом водного баланса.

В связи с этим достоверная и оперативная оценка водопотребления весьма актуальна и необходима при проведении гидромелиорации земель, программировании урожая сельскохозяйственных культур и в ряде других случаев.

Расчету водопотребления сельскохозяйственных культур посвящены многочисленные экспериментально-теоретические исследования. Вместе с тем в настоящее время проблему оперативного и приемлемо точного расчета Е по легкодоступным агрометеопараметрам пока нельзя признать до конца решенной.

Анализ источников. Анализ результатов многочисленных исследований отечественных и зарубежных авторов показывает, что существующие теоретические модели Е принципиально не адаптируются к реальным условиям, поскольку фактическая оценка аргументов (параметров формул) оказывается не менее, а порой более трудоемкой, нежели оценка самого водопотребления [1-6]. С другой стороны, потенциально перспективные, с прикладной точки зрения, эмпирические методы, как правило, весьма упрощены. Последнее вызвано недостаточным статистическим объемом исходных эмпирических выборок, состоящих к тому же из осредненных (например декадных) значений переменных.

В данной ситуации наиболее продуктивным направлением исследований, на наш взгляд, является разработка корреляционных моделей суточных величин водопотребления культур (Есут) [5,6].

Методы исследования. В процессе поэтапных экспериментально-теоретических исследований автора был принят и реализован комплекс методологических принципов (табл. 1), положенных в основу построения адаптивной корреляционной модели суточного водопотребления трав.

С учетом сформулированных в табл. 1 принципов основные экспериментально-теоретические исследования состояли в следующем.

Таблица 1. Методологические принципы построения адаптивной корреляционной модели суточного водопотребления трав

С целью получения наиболее полной исходной информации для разработки модели проведены специальные полевые четырехлетние опыты с организацией непрерывной записи фактического водопотребления трав и комплекса определяющих его факторов [5-7]. Проводились измерение и запись следующих показателей: водопотребление трав (Есут, мм), испарение с водной поверхности (Еи, мм), температура воздуха (t, оС) и почвы (tп, оС), относительная влажность (f, %) и дефицит влажности (d, мб) воздуха, скорость ветра (V, м/с). При этом для записи Есут, Еи, tп, V непосредственно на опытном участке автором разработаны и использованы специальные оригинальные приборы [7]. Интенсивность солнечной радиации (Q, МДж/(м2•ч)) принималась по ближайшей метеостанции Горки.

На рис. 1 показана разработанная автором конструкция почвенного испарителя с автоматическим устройством взвешивания и записи (эвапотранспирографа). Почвенный испаритель 1 находится внутри цилиндра (гнезда) 2 в устойчивом подвешенном состоянии посредством призменных опор 3 и квадранта 4 с уравновешивающим грузом 5 и грузами точной настройки 6.

Рис. 1. Почвенный испаритель с автоматическим устройством взвешивания и записи: I - исходное положение квадранта; II - положение квадранта в результате испарения

Опоры обеспечивают свободное вертикальное перемещение меняющего массу испарителя, которое фиксируется визирным устройством 7 и самописцем 8. Водосборное устройство 9 служит для учета осадков.

Принцип работы прибора заключается в автоматическом уравновешивании моментов сил, создаваемых испарителем, массой G с плечом а и грузом g с плечом в. При изменении G на величину ± ДG (осадки или испарение) квадрант перемещается на угол ± а и изменяет плечи а и в.

За счет низко и жестко расположенного груза g его плечо изменяется в значительно большей степени и уравновешивает вновь создаваемые моменты.

Согласно рис. 1, уравновешивание моментов записывается в виде:

(G ± ДG) a cos (± б) = g R cos (в±б), (1)

где R - радиус перемещения груза g; в - угол начального положения R к горизонту.

Для получения значений испарения или осадков по отсчетам визирной линейки 7 производится тарировка прибора стандартными разновесами. При площади монолита 1000 см2, его глубине 100 см и размерах плеч а = 25 см и в = 110 см отсчет по визирному устройству до 0,1 мм обеспечивает аналогичную точность измерения испарения или осадков.

Пример результатов записи фактического водопотребления трав и комплекса определяющих его факторов приведен на рис. 2.

Рис. 2. Совместный типичный суточный ход метеорологических элементов и водопотребления трав в июле, полученный на опытном участке «Тимоховка»

Основу корреляционной модели в условиях оптимизации влагозапасов почвы составляет двухфакторная зависимость:

(2)

где Б, М - показатели биологического развития и метеоусловий соответственно.

Зависимость (1) выражает связь Есут = f (Б) в явном виде и позволяет отказаться от дискретных биологических коэффициентов. Это позволило описать непрерывный процесс биологического развития трав, имеющий S-образную форму внутри каждого межукосного периода. В общем виде данная форма выражается следующим параметром :

(3)

где а0, а1, а2, - коэффициенты аппроксимации; е - основание натурального логарифма.

Коэффициент > 0 введен с целью устранения противоречия Есут = 0 при Б = 0, означавшего бы отсутствие суммарного испарения в начале межукосного периода (МП). Вместе с тем наличие слагаемого не позволяет применить стандартный регрессионный анализ по методу наименьших квадратов. С целью обхода данного препятствия при обосновании модели Есут по данным двенадцати МП применен метод последовательного введения аргументов и преобразования зависимой переменной, близкий по смыслу к методу остаточных отклонений [3]. Данный метод, а также кросскорреляционный анализ суточного хода водопотребления трав и комплекса метеофакторов позволили обосновать в качестве определяющих, комплексируемых и доступных к практическому применению двух элементов - дефицита влажности воздуха и скорости ветра [9].

Основная часть. В результате компьютерной реализации обобщенная для всех МП модель Есут приняла вид [8]:

(4)

(5)

где 6,92 - величина, имеющая смысл биологического коэффициента; d - среднесуточный дефицит влажности воздуха, мб; V2 - среднесуточная скорость ветра на высоте 2 м, м/с; Ку - параметр, учитывающий уровень урожайности трав в укосе; t0 - относительная сумма накопленных температур воздуха.

, (6)

где ti - текущая сумма среднесуточных температур воздуха, накопленная от начала МП, 0С; tmax - сумма температур воздуха, накопленная за один МП (при трехукосном использовании tmax = 700 0С).

При получении модели (4-5) количество суточных данных составило 431, корреляционное отношение = 0,911 0,020. Иллюстрация учета отдельных факторов в данной модели показана на рис. 3.

Рис. 3. Учет скорости ветра (а), урожайности (б) и увлажнения поверхности почвы (в) в адаптивной корреляционной модели суточного водопотребления трав

Следует отметить, что при разработке данной корреляционной модели не использовались данные Есут ближайших одного-двух дней после интенсивных осадков и поливов. В эти дни в первой половине МП наблюдалось резкое увеличение испарения с незатененной поверхности почвы («всплески» эвапорации) [8]. В начале МП это увеличение было примерно двукратным, уменьшаясь по мере развития травостоя и исчезая к середине МП.

Во второй половине МП в дни переувлажнения поверхности почвы осадками при сомкнутом травостое наблюдалось некоторое уменьшение Есут за счет снижения транспирации. Общее количество неучтенных данных Есут в условиях переувлажнения поверхности почвы составило 119.

Таким образом, модель (4-5) разработана для бездождных периодов, что в неустойчивых погодных условиях Беларуси ограничивает ее применение. Для частичного устранения данного недостатка были предложены соответствующие поправки биологических коэффициентов на переувлажнение почвы [4], которые, как показал анализ, требуют дальнейшего совершенствования.

Большое число исследований суммарного испарения посвящено обоснованию наиболее приемлемой формы связи Есут = f (d) - от линейной до степенной, логарифмической и т. п. Однако, согласно принятой нами теоретически непротиворечивой и экспериментально подтвержденной гипотезе, форма указанной связи не является постоянной во времени, а трансформируется в течение вегетационного периода за счет биологической регуляции агробиоценоза [10].

Последующий анализ собственных опытных данных автора позволил также сделать вывод о том, что степенную форму связи Есут = f (d) в модели (4) нельзя признать удовлетворительной при высокой напряженности метеоусловий (d > 10мб), которая все более проявляется в связи с изменением климата. По мере увеличения среднесуточного дефицита влажности воздуха до 10 мб и выше форма связи Е = dв (при в < 1) все больше приближается к линейной, монотонно возрастающей зависимости.

Вместе с тем опытные и литературные данные показывают, что по мере биологического развития травостой в условиях жаркой сухой погоды начинает регулировать (уменьшать) транспирацию. При этом форма связи Е = f (d) должна очевидно меняться по мере качественного изменения подстилающей поверхности в течение МП.

С учетом отмеченного выше нами выполнено совершенствование расчетной модели (4-5), которое осуществлялось по двум направлениям:

а) объективный (статистический) учет влияния переувлажнения поверхности почвы в динамике биологического развития травостоя;

б) обоснование более гибкой и переменной формы связи Е = f (d) с учетом изменения в онтогенезе характера испаряющей поверхности.

При разработке усовершенствованной расчетной модели вначале рассчитывалась отдельная модель Есут для условий переувлажнения поверхности почвы. Далее с использованием указанного выше метода преобразования зависимой переменной все эмпирические данные объединялись. Для аппроксимации связи Е = f (d) наиболее удобной оказалась кинетическая функция у = ахвесх.

В итоге расчетная модель суточного водопотребления трав имеет вид:

(7)

(8)

где - коэффициент затухания эффекта переувлажнения, учитывающий число дней j после переувлажнения поверхности почвы.

При j равном 0; 1; 2 и > 2 принимает соответственно значения 1; 0,33; 0,1 и 0 [8]. Корреляционное отношение зависимости (7) = 0,927 0,018.

В новой расчетной модели форма связи Е = f (d) меняется от степенной (d0,58) в начале МП (после укоса) до более криволинейной (d0,58 e-0,017d) в конце МП. При = 1 Есут возрастает в начале МП (при t0 = 0) в 2 раза; в конце МП (при t0 = 1) - уменьшается на 12 %.

Сравнение результатов расчета Есут по моделям (4-5) и (7-8) для бездождных периодов ( = 0) и при Ку = 1 приведены в табл. 2.

Таблица 2. Рассчитанные значения суточного водопотребления трав Е1 (формула 4) и Е2 (формула 7), мм

модель суточный водопотребление трава

Анализ данных табл. 2 и измеренных значений Есут показывает, что в условиях развитого травостоя и повышенной напряженности метеоусловий зависимость (3) существенно завышает расчетные величины Е1.

Предлагаемая модель (7-8) более полно аппроксимирует опытные данные на всем диапазоне изменений биологического развития и метеоусловий. Кроме того, зависимость (8) позволяет учитывать значительное и неоднозначное влияние на водопотребление трав переувлажнения почвы в динамике развития травостоя.

Литература

1. 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.

2. Остапчик, В. П. Планирование режимов орошения на основе биоклиматического метода расчета водопотребления сельскохозяйственных культур / В. П. Остапчик. Обзорная информация, № 9. - М., ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1981. - 90 с.

3. Константинов, А. Р. Применение сплайнов и метода остаточных отклонений в гидрометеорологии / А. Р. Константинов, Н. М. Химин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 216 с.

4. Михальцевич, А. И. Расчет испарения с орошаемых площадей // Научные основы проектирования и строительства гидромелиоративных систем / А. И. Михальцевич. - Минск, 1981. - С. 34-41.

5. Вихров, В. И. Корреляционные биоклиматические модели суточного водопотребления орошаемых многолетних трав // Актуальные проблемы строительства и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем. Сб. науч. трудов БСХА. Вып. 117. - Горки, 1984. - С. 26-35.

6. Вихров, В. И. Оперативное планирование и прогноз режима орошения многолетних трав на минеральных почвах Белоруссии / В. И. Вихров: автореферат дис. … канд. техн. наук. - М.: ВНИИГиМ, 1988. - 24 с.

7. Вихров, В. И. Усовершенствованные приборы для записи некоторых метеоэлементов в связи с изучением водопотребления орошаемых культур / В. И. Вихров // НТИ мелиорация и водное хозяйство. - 1983. - № 4. - С. 16 - 19.

8. Вихров, В. И. Учет скорости ветра и величины урожая в биоклиматическом методе расчета водопотребления орошаемых трав // НТИ Мелиор. и вод. хоз-во. Вып. 7. - Минск: Урожай, 1985. - С. 16-19.

9. Вихров, В. И. Суточный ход водопотребления орошаемых многолетних трав и его кросскорреляция с метеорологическими факторами / В. И. Вихров // Планирование, строительство и эксплуатация мелиоративных и водохозяйственных систем: сб. науч. трудов БСХА. Вып. 127. - Горки, 1985. - С. 17-22.

10. Вихров, В. И. Совершенствование расчетной модели суточного водопотребления трав / В. И. Вихров // Актуальные проблемы технической эксплуатации и эффективного использования мелиоративных систем, водохозяйственных объектов и инженерного обустройства сельских территорий. - Горки, 2003. - С. 40-44.

Размещено на Allbest.ru