Теоретическое обоснование и практическая реализация полива пропашных культур по экранированным бороздам

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Теоретическое обоснование и практическая реализация полива пропашных культур по экранированным бороздам

Безбородов Юрий Германович

Москва 2010

Работа выполнена в государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н.Костякова Россельхозакадемии

Научный консультант: академик РАСХН,

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Дубенок Николай Николаевич

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН

доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ,

Ольгаренко Владимир Иванович

доктор физико-математических наук,профессор

Веницианов Евгений Викторович

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Николаенко Александр Николаевич

Ведущая организация: ФГНУ «Радуга»

Защита состоится «_25_»_марта_2010г. в _____часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова» по адресу: 127550, г.Москва, ул. Б.Академическая, д.44

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ

Автореферат разослан «____»______________2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук С.Д. Исаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Коренные изменения в орошаемом земледелии Центральноазиатских стран СНГ - увеличение посевов озимых зерноколосовых культур, сокращение площадей под многолетними травами, возделывание в повторных и промежуточных посевах пропашных культур - привели к усилению антропогенного воздействия на агроценоз, в результате чего снижается урожай основных продовольственных и технических культур продуктивность орошаемых земель.

Стремление решить проблему повышения плодородия почв и обеспеченности животноводства собственными кормами за счет выращивания в повторных посевах бобовых, а в промежуточных сидеральных культур не согласуется с существующим дефицитом водных ресурсов, пригодных для орошения.

В таких условиях возникает задача поиска путей экономии оросительной воды. Традиционные инженерные методы, апробированные на отдельных оросительных системах, такие как водосберегающие способы полива - дождевание, внутрипочвенно-капельное орошение, реконструкция внутрихозяйственных гидромелиоративных систем требуют больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат, создания мощной материальной базы. Переход на капиталоемкие водосберегающие способы полива в условиях повсеместно распространенного поверхностного, в большинстве случаев, самотечного полива в региональном масштабе не представляется реальным в силу недостаточно развитой экономики Центральноазиатских стран.

Однако возможно сохраняя традиции бороздкового полива, разработать технологию позволяющую усилить его функции водосбережения, восстановления почвенного плодородия и других свойств почвы, соответствующих экологическим требованиям. Такую функциональную нагрузку может выполнить технология орошения пропашных культур по бороздам, поверхность которых покрыта различными материалами, что способствует снижению непроизводительных потерь оросительной воды. Промышленность и сельскохозяйственное производство Узбекистана вырабатывают из собственного сырья в качестве покрытия такие материалы, как крафтбумага из растительных остатков, полиэтиленовая пленка, различные поликомплексы.

Рабочая гипотеза. Предохранение почвы от размыва, обеспечение значительного снижения физического испарения влаги и устранение необходимости проведения многочисленных тракторных междурядных обработок, что в совокупности позволит наиболее продуктивно использовать минеральные удобрения и лучше сохранить водно-физические свойства почвы таковы современные требования орошаемого земледелия. Решение этого комплекса задач позволяет создание экрана с водовыпускными отверстиями для полива.

Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в теоретическом обосновании и практической реализации водосберегающей технологии полива пропашных культур по экранированным полиэтиленовой пленкой бороздам.

Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:

1. Изучить современные представления о процессах инфильтрации воды в почву, физическом испарении влаги с орошаемых земель и их значимость в реализации теории бороздкового полива.

2. Разработать теоретическое обоснование закономерностей движения потока воды по борозде.

3. Разработать водосберегающую экологически безопасную технологию полива пропашных культур по бороздам при различных вариантах покрытия почвы.

4. Разработать основные элементы технологии полива пропашных культур по экранированным бороздам в зависимости от гранулометрического состава почв, уклона местности, вида покрытия.

5. Изучить водный, тепловой, микробиологический, газовый режимы почвы при поливе по экранированным бороздам и их влияние на урожайность орошаемых культур.

6. Установить теоретические закономерности процесса физического испарения влаги и дать количественную оценку снижения его интенсивности при применении различных покрытий.

7. Оценить экологическую и экономическую значимость технологии полива по экранированным бороздам.

Методология исследований. Методологической основой исследований послужили теоретические разработки в области мелиорации земель и почвенного плодородия, положений почвенной термодинамики.

При проведении исследований использованы принципы системного анализа и принятые в мелиорации методы: полевой, лизиметрический, лабораторный. экранированный борозда полив почва

Научная новизна результатов исследований заключается в разработке теории описывающей процесса движения потока воды в открытых и экранированных бороздах и физического испарения влаги с поверхности почвы; разработке способа регулирования водного, теплового, газового, микробиологического режимов орошаемых земель путем орошения сельскохозяйственных культур по бороздам с экранами различных конструкций. На основе многолетних экспериментальных исследований установлены оптимальные элементы орошения по бороздам, технологии полива, параметры водопотребления сельскохозяйственных культур, обеспечивающие экономию оросительной воды и высокий продукционный потенциал орошаемых земель. Получены зависимости физического испарения влаги и урожайности сельскохозяйственных культур от степени покрытия поверхности почвы различными материалами. Разработаны математические модели полива по экранированным бороздам и испарения влаги из экранированной почвы. Разработана, испытана и внедрена в производство технология экранирования почвы полиэтиленовой пленкой на посевах хлопчатника с помощью навесного пленкоукладчика. Изучена динамика газового режима почвы и дана оценка эмиссии "малых" парниковых газов - газа, метана и закиси азота.

Защищаемые положения:

теоретические закономерности движения потока в борозде со свободной поверхностью почвы с учетом ее многофазности и многокомпонентности;

математическая модель процесса испарения влаги с поверхности почвы, рассматриваемой в качестве многофазной, многокомпонентной среды;

оптимальные элементов техники полива по непокрытым и экранированным бороздам на основе дифференциации глубины промачивания почвы, КПД и равномерности увлажнения почвы различного гранулометрического состава, стоимости потерянного урожая;

обоснование многофункциональной роли покрытия почвы в междурядьях пропашных культур в формировании водного, теплового, газового и микробиологического режимов;

конструкция водостойкого экрана, обеспечивающего равномерное распределение увлажнения почвы по длине борозд.

Личный вклад автора заключается в разработке с 1994г. и по настоящее время нового направления в теории бороздкового полива, в котором почва рассматривается как многофазная, многокомпонентная среда; в составлении компьютерной программы для реализации имитационной модели увлажнения почв и расчета элементов техники бороздкового полива; в разработке эмпирической модели расчета элементов техники бороздкового полива, в проведении и обработке результатов расчета с их оценкой для различных природных условий с учетом коэффициента равномерности увлажнения почвы по длине борозд; в разработке внутриучастковой системы орошения, включающей устройство для внесения растворимых минеральных удобрений вместе с водой; в разработке конструкции экрана ложа борозд и проведении экспериментальных исследований по совершенствованию технологии полива по экранированным бороздам на посевах культур хлопкового комплекса; в изучении водного, теплового, газового и микробиологического режимов покрытой почвы и установлении эколого-экономической эффективности орошения пропашных культур по экранированным бороздам.

Достоверность полученных результатов. Адекватность разработанных и использованных математических моделей устанавливалась по результатам полевых исследований, точность расчетов оценивалась статистическими методами с использованием современного приборного обеспечения и методик.

Практическая значимость работы.

Разработанные автором положения:

1. Позволяют существенно снизить эмиссию парниковых газов в атмосферу, обеспечивает получение высокого и раносозревающего урожая;

2. Технология орошения по экранированным бороздам может быть использована в регионах с низкой водообеспеченностью орошаемых земель;

3. Технология орошения по экранированным бороздам, внутриучастковая система орошения, механизм укладки экрана могут быть использованы проектными организациями мелиоративного профиля, в хозяйствах, специализирующихся на выращивании пропашных технических, продовольственных культур;

4. Методика расчета элементов техники полива по экранированным бороздам может применяться мелиоративными организациями при проектировании и реконструкции оросительных систем с использованием поверхностного способа полива;

5. Математическая модель движения потока воды в борозде может быть использована научными организациями при изучении русловых процессов;

6. Математическая модель процесса испарения влаги с поверхности почвы может быть использована научными организациями и исследователями при изучении движения влаги в зоне аэрации;

7. Математические модели и компьютерная программа могут быть использованы в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались на на научно-практической конференции "Проблемы землепользования, земельного и городского кадастра и градостроительства" (Москва, 1998 г.); на международной конференции по гидрологии почв (Вена, 1998 г.); на ежегодных конференциях молодых ученых и специалистов МСХА им. К.А.Тимирязева (1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004г.); на международной научно-практической конференции "Проблемы управления и использования водных ресурсов бассейна Аральского моря" (Ташкент, 1999 г.); на научной конференции "Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства и пути их решения" (Ташкент, 2000 г.); на Республиканском научно-практическом семинаре "Проблемы землеустройства и землепользования на современном этапе реформ в агропромышленном комплексе" (Ташкент, 2000 г.); на республиканской научной конференции "Перевод водохозяйственных эксплуатационных организаций на рыночные отношения" (Ташкент, 2002 г.); на международной конференции "Экологические проблемы мелиорации" (Москва, 2002 г.); на центральноазиатской международной научно-практической конференции "Экологическая устойчивость и передовые подходы к управлению водными ресурсами в бассейне Аральского моря" (Алматы -Ташкент, 2003); на молодежном форуме "Агробиотехнологии и экологическое земледелие" (Владимир, 2005); на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (2005, 2006, 2007, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК России, 4 монографии, получено 1 авторское свидетельство и 4 предварительных патента.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов и предложений, списка литературы и приложений, изложенных на 331 странице машинописного текста, с включением 100 таблиц, 27 рисунков, 275 литературных источников, из них 83 зарубежных авторов, и 15 приложений.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы разработки техники, технологии поливов пропашных культур, теории движения влаги в зоне аэрации и испарению влаги, а также материалы покрытия почвы и их влияние различные показатели.

В Центральноазиатском регионе поливы пропашных культур проводятся традиционным способом - по бороздам. С начала его широкого распространения и до настоящего времени ведутся разработки по совершенствованию технологии полива, методов расчета элементов техники полива и средств распределения воды по бороздами. Б.А.Шумаковым, А.Н.Костяковым, С.М.Кривовязом, А.Н.Аскоченским, М.Ф.Натальчуком, Н.Т.Лактаевым, Г.М.Гусейновым, Г.Ю.Шейнкиным, В.П.Иноземцевым, Б.Г.Штепой, Г.И.Будниковым, В.И. Ольгаренко и др. В разработку более совершенной технологии полива по бороздам - дискретной, и методов расчета ее параметров большой вклад сделан отечественными учеными - Б.Б.Шумаковым, В.А.Арефьевым, Н.П.Степаненковым, А.А.Терпигоревым, Н.Р.Хамраевым, В.М.Романовым, Ю.Г.Дробышевским, Г.И.Саенко, И.А.Шаровым, Т.Ю.Юсуповым, а также зарубежными - И.Вырлевым, Д. Келлером, У.Уолкером, Ф.Изуно, Т.Подмором, Н.Алеми, Д.Голдхамером и др.

Как показывает практика, при проведении поливов по бороздам на землях с большими уклонами местности в подавляющем большинстве случаев происходят размыв почвы и смыв плодородного слоя, большие потери воды на фильтрацию ниже корнеобитаемого слоя почвы и поверхностный сброс с полей. Многочисленными исследованиями установлено, что за вегетационный период смыв почв достигает 100 т/га, а КПД поливов не превышает 0,65 -0,7. В условиях дефицита оросительной воды для орошаемого земледелия и экономики в целом стран Центральноазиатского региона необходимо усовершенствовать теоретические положения снижения водопотребления сельскохозяйственных культур и предложить новые технологии, повышающие эффективность бороздкового полива.

Большой вклад в разработку теории испарения влаги с открытой поверхности и движения влаги в почвогрунтах почвы внесли W.R.Gardner, J.Cisler, H.L.Penman, М.Кутилек и Д.Нильсен, А.И.Будаговский. Х.Дарси, И.Козени, Хаген-Пуазейль, А.Е.Шайдегер, Е.Р.Лейбензон, С.Ф.Аверьянов, Е.С.Чайльдс, Н.Коллиз-Джордж, В.Р.Гарднер, Б.В.Дерягин, Ю.М.Денисов, С.В.Нерпин, А.Ф.Чуд-новский, А.И.Голованов, Л.М.Рекс, Е.В.Веницианов и др. А.И.Будаговский рассмотрел различные случаи испарения почвенной влаги: когда испарение происходит с поверхности достаточно и недостаточно увлажненной почвы; испарение воды почвой под покровом растений. Для оценки испарения в районах орошаемого земледелия с глубоким залеганием уровня грунтовых вод и малым количеством атмосферных осадков им предложена эмпирическая зависимость (А.И.Будаговский, 1964)

(1)

где Еп - испарение воды почвой, мм; W - влажность верхних слоев почвы, мм; Wp - влажность разрыва капиллярной связи, мм; г2 - коэффициент пропорциональности.

Эмпирические и полуэмпирические зависимости испарения влаги почвой получены в большинстве случаев по материалам наблюдений агрометеорологических станций за влажностью почвы. Анализ этих моделей показывает, что они в подавляющем большинстве упрощенно рассматривают почву, игнорируя ее как многокомпонентную, многофазную среду. Такой подход к рассмотрению процесса физического испарения хотя и дает практически приемлемые для производства оценки размера физического испарения, однако это не устраняет необходимости совершенствования теории физического испарения в том числе и для экранированной почвы.

Во второй главе рассматриваются теоретические основы и результаты исследований полива сельскохозяйственных культур по бороздам постоянной струей.

Для теоретического обоснования уравнения движения воды по борозде в качестве основных параметров движущегося отсека воды в борозде приняты: s - расстояние от головы борозды (выбранного начала), м; t - время, мин; щ (s, t) - площадь живого сечения м2; u (s, t) - средняя скорость воды по сечению, м/с; f (s, t) - торцовое напряжение, связывающее отсек щ(s,t)ds с потоком, кгс/с; zb (s, t) - отметка уровня воды в сечении, м; ч (s, t) - смоченный периметр, м.

На выделенный отсек воды в борозде действуют следующие силы: тяжести, трения, торцовая сила и сила инерции.

Уравнение движения воды в борозде полученное после сложения всех сил по принципу Даламбера (Ю.М.Денисовым и др, 2002)

. (2)

где КТ - коэффициент кинематической турбулентной вязкости, м2/с, определяемый из соотношения

, (3)

где х - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; R - гидравлический радиус, м; k1 и k2 -безразмерные коэффициенты пропорциональности, зависящие от структуры поверхностного слоя почвы и водопрочности агрегатов.

Теоретическая модель движения потока воды по борозде состоит из системы уравнений: неразрывности, движения фронта и тыла поливной струи. Уравнение баланса расхода воды в сечении ds борозды представлено в виде:

, (4)

После преобразований (4) принимает вид

(5)

здесь - предложенная автором относительная площадь перфорации оболочки, уложенной в борозду (при ее отсутствии з = 1); ах - атмосферные осадки, выпадающие на поверхность потока воды в борозде, мм; Е - интенсивность испарения с водной поверхности бороздковой струи, мм/сут; iф - интенсивность инфильтрации поливной воды, мм/сут.

Выражения движения фронта поливной струи -

(6)

и тыла -

(7)

Для решения системы уравнений (2) - (4) задаются начальные и граничные условия. Начальные условия для скорости и живого сечения потока -

u(s, 0) = шu (s), 0 < s ? Sф ,

щ( s, 0) = щ(s), (8)

h(s, 0) = оh(s).

Граничные условия, предложенные автором для поливной струи в борозде, имеют вид:

при Q(s0, t) > 0 имеем:

на левом крае в голове борозды s = 0 -,

щ(s0, t) = const,

u(s0, t) = цu (t);

на правом крае - фронт поливной струи s = Sф (t) и граничные условия могут быть записаны в виде

, (9)

(10)

Где

, . (12)

При Q(s0, t) = 0, когда прекращена подача воды в голове борозды и появляется тыл поливной струи ST ? S0 , граничные условия на левом крае струи задаются в виде

(13)

Или

(14)

а на правом - условие (10).

В приведенных зависимостях: k1, k2 , k3 - безразмерные коэффициенты пропорциональности; КТ - коэффициент кинематической турбулентной вязкости, м2/с; R - гидравлический радиус, м; В - ширина поливной струи по верху, м; параметр, имеющий размерность динамической турбулентной вязкости; - плотность воды, г/см3. Система уравнений с начальными и граничными условиями решается численным методом.

На основе представленных уравнений автором совместно с А.И.Сергеевым разработан численный алгоритм и составлена программа расчета скорости добегания воды по борозде в соответствии с условиями: полив проводится по проточным бороздам постоянной струей. Для сравнения рассчитанных значений скорости добегания воды по борозде проведены полевые опыты. На опытно-производственных участках с одинаковым гранулометрическим составом почв и различными уклонами местности на посевах хлопчатника проведены опыты по изучению движения потока воды по сухой борозде. Результаты этих опытов, представлены на рис. 1 в виде зависимостей x = f (t), используемых обычно в аналитических и графоаналитических методах расчета элементов техники полива, где показаны графики, полученные расчетным методом. Достаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных зависимостей x = f (t) дало возможность провести расчеты для большого массива исходных данных, включающих почвы различного гранулометрического состава, уклоны поверхности земли и расходы воды в борозду - всего 81 вариант: уклоны 0,005; 0,02;0,05; коэффициенты фильтрации 0,2; 0,1; 0,05 м/сут; длина борозд 100, 150, 200 м.

№ линий	kФ	vpit	kФh1, м/сут	kФh2, м/сут	kФh3, м/сут	i	L, м	q, л/с
1	0,14	1,49	0,175	0,14	0,13	0,016	200	0,4
2	0,134	1,20	0,147	0,134	0,123	0,027	100	0,1
3	0,134	1,29	0,147	0,134	0,123	0,027	260	0,2
4	0,14	1,35	0,175	0,14	0,13	0,035	260	0,3
5	0,124	1,35	0,147	0,124	0,123	0,035	260	0,3
6	0,14	1,45	0,175	0,14	0,13	0,024	200	0,3
7	0,14	1,35	0,175	0,14	0,13	0,052	200	0,25

Рис.1. Сравнение теоретических с экспериментальными скоростей добегания воды в борозде при различных уклонах поля и расходах воды в голове борозды (по данным автора и А.Г.Безбородова)

В результате проведенных расчетов получены данные для составления зависимостей x=f(t); поливные нормы брутто и нетто; КПД полива и коэффициент равномерности увлажнения почв по длине борозды; распределение влажности после полива в расчетных створах по длине борозд.

Полученные результаты показывают, что чем меньше коэффициент равномерности увлажнения (kр), тем выше КПД борозд. Можно предположить, что, например, при поливе нормой добегания, когда отсутствует поверхностный сброс оросительной воды, КПД будет равным примерно 1, однако коэффициент равномерности увлажнения почвы по длине борозд окажется очень низким. При таком поливе от недоувлажнения значительной части поливного участка снизится урожай сельскохозяйственных культур и его качество.

Для выбора оптимальных элементов техники полива необходимо ввести критерий - относительная урожайность, которая определяется по следующей зависимости

, (15)

где Ур и Уmax - расчетная и максимальная урожайность культуры, на основании которой определена стоимость потерянного урожая, т/га.

Для последующего анализа, из 81 варианта, выбраны 24 варианта с соответствующими каждому значению коэффициента равномерности полива (kp) поливными нормами брутто и КПД борозды (табл.1).

Таблица 1. Соотношение поливной нормы брутто (mбр) и КПД борозды при различных значениях коэффициента равномерности полива (kp)

Вариант	kp = 0,6	kp = 0,7	kp = 0,8	kp = 0,9
	mбр, м3/га	КПД	mбр, м3/га	КПД	Mбр, м3/га	КПД	mбр, м3/га	КПД
2	800	0,88	900	0,78	1030	0,68	1200	0,58
6	850	0,82	960	0,73	1100	0,64	1280	0,55
9	880	0,80	990	0,71	1135	0,62	1320	0,53
11	1070	0,75	1200	0,67	1376	0,58	1600	0,50
13	1110	0,72	1275	0,63	1460	0,55	1700	0,47
16	1160	0,69	1335	0,60	1530	0,52	1780	0,45
20	1395	0,65	1605	0,56	1840	0,49	2140	0,42
22	1450	0,62	1665	0,54	1910	0,47	2220	0,40
26	1470	0,61	1690	0,53	1940	0,46	2250	0,40
28	1010	0,69	1160	0,60	1330	0,53	1550	0,45
31	920	0,76	1060	0,66	1210	0,58	1410	0,50
34	930	0,75	1070	0,65	1220	0,57	1420	0,50
39	1010	0,79	1160	0,69	1330	0,60	1550	0,52
42	1010	0,79	1160	0,69	1330	0,60	1550	0,52
45	1060	0,75	1220	0,66	1400	0,57	1630	0,49
48	1370	0,66	1570	0,57	1810	0,50	2100	0,43
50	1390	0,65	1600	0,56	1830	0,49	2130	0,42
52	1430	0,63	1640	0,55	1880	0,48	2190	0,41
64	960	0,83	1100	0,73	1260	0,63	1470	0,54
68	1000	0,80	1150	0,70	1320	0,61	1530	0,52
71	1040	0,77	1200	0,67	1380	0,58	1600	0,50
74	1320	0,68	1520	0,59	1750	0,51	2030	0,44
78	1360	0,66	1570	0,57	1800	0,50	2090	0,43
81	1380	0,65	1580	0,57	1810	0,50	2110	0,43

Расчеты показывают, что значениям kp = 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 соответствуют величины относительной урожайности хлопчатника 0,77; 0,83; 0,89; 0,95, то есть потери урожая хлопка-сырца составляют 23, 17, 11 и 5 % соответственно. Окончательный выбор экономически выгодного варианта технологии полива осуществлен по экономическим показателям. Для этого рассчитывается стоимость потерянного урожая и оросительной воды.

В результате сопоставления стоимости потерянного урожая и стоимости оросительной воды, также зависящей от kp, получено оптимальное значение kp = 0,73 соответствующее минимуму потерь урожая и воды.

Для принятого в качестве критерия значения kp = 0,75 проведены расчеты по определению оптимальных элементов полива хлопчатника, результаты которых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Элементы техники полива хлопчатника постоянной струей по проточным бороздам при kp = 0,75

Вариант	Уклон поверхности земли	Коэффици-ент фильтрации,м/сут	Длина борозды, м	Расход воды в борозду, л/с	Время полива, ч	Поливная норма, м3/га	КПД борозды
						нетто	брутто
2	0,005	0,2	100	0,75	4,3	700	960	0,73
11	0,005	0,1	100	0,60	7,2	800	1290	0,62
20	0,005	0,05	100	0,20	28,6	900	1720	0,52
28	0,02	0,2	75	0,50	6,2	700	1240	0,56
42	0,02	0,1	100	0,30	13,8	800	1240	0,64
50	0,02	0,05	150	0,15	38,5	900	1710	0,53
64	0,05	0,1	75	0,30	9,8	800	1180	0,68
74	0,05	0,05	75	0,08	50,6	900	1630	0,55

Анализ табличных данных указывает на наличие тесной связи между природными характеристиками и элементами технологии полива: с увеличением уклона местности уменьшается величина расхода воды в борозду и увеличивается КПД борозды (за исключением сильноводопроницаемых почв).

Проведенные исследования показывают, что широко распространенные в аридной зоне поливы постоянной струей по проточным бороздам сопровождаются большими потерями воды, в связи с чем КПД борозд, рассчитанный по теоретическим зависимостям, не превышает 0,52 - 0,73. Следует отметить также, что для земель с уклоном 0,005 короткая длина борозд 100 м, обоснованная технико-экономическими расчетами и допускающая деление поливного участка на ярусы, значительно меньше параметров, рекомендованных Н.Т. Лактаевым 175-400 м.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по разработке водосберегающих технологий полива по открытым бороздам.

Более совершенными технологиями, повышающими качество полива, являются технологии полива переменной струей и с прерывистой водоподачей в борозды.

Для их изучения на Центральной экспериментальной базе Узбекского НИИ хлопководства проведен трехлетний опыт, который включал следующие варианты: полив постоянной струей (контроль); полив переменной струей; дискретный полив. Длина борозд составляла 200 м, уклон поверхности земли 0,015, ширина междурядий 60 см, вода при поливах подавалась во все борозды. Опыты проводились в четырехкратной повторности, каждая повторность состояла из 8 борозд. Расход воды измерялся в голове борозд, в створах 50, 100, 150 м и в конце борозд. Учет урожая хлопка-сырца проводился по отрезкам каждой повторности 0-50 м, 50-100 м, 100-150 м и 150-200 м. Поливы проводились при уровне предполивной влажности почвы 70-70-60% НВ, в соответствующие фазы развития хлопчатника. Расчетный увлажняемый слой почвы принимался равным 70 см в фазу бутонизации, 100 см в фазу цветения-плодообразования и 70 см в фазу созревания. Контроль влагозапасов почвы проводился нейтронным влагомером ВНП-1 "Электроника". Почвы опытного участка - тяжело суглинистые, наименьшая влагоемкость 0-100 см слоя почвы - 21%, плотность - 1,48 г/см3. Опытный участок располагался в пределах поля севооборота, где до посева хлопчатника выращивалась люцерна.

Результаты исследований по изучению эффективности различных технологий полива приведены в таблице 3. Как видно, при меньших затратах оросительной воды в вариантах полива с использованием водосберегающих технологий получен более высокий урожай хлопка-сырца. Вместе с тем в контрольном варианте в среднем за три года коэффициент равномерности полива оказывается самым высоким - 0,79. Высокий показатель равномерности полива в контрольном варианте обусловил формирование равномерно распределенного по длине борозд урожая. Несмотря на преимущества водосберегающих технологий полива в экономии оросительной воды и величине урожая, коэффициент равномерности полива у них оказывается ниже, чем в контрольном варианте. Это свидетельствует о том, что на землях с большими уклонами достичь равномерного увлажнения почвы по длине склона путем применения технологий дискретного полива и полива переменной струей практически невозможно без дополнительных затрат воды, необходимых для увеличения глубины промачивания, что в свою очередь приведет к снижению КПД полива и увеличению смыва почвы.

К водосберегающим технологиям относится и технология подачи воды через междурядье. Для полива сельскохозяйственных культур через междурядье необходимо провести теоретическое и экспериментальное обоснование.

В условиях больших уклонов местности пропашные культуры возделываются, как правило, с шириной междурядий 60 и 70 см. Причем на посевах хлопчатника применяется система машин, рассчитанная на ширину междурядий 60 см. На узкорядных посевах хлопчатника и других пропашных культур для междурядных обработок применяются трехколесные пропашные тракторы с четырехрядными культиваторами, рассчитанными на ширину захвата 2,4 м. При расстоянии между колесами трактора 1,2 м на поле формируются борозды и междурядья с разной водопроницаемостью почвы, обусловленной различным давлением тракторных колес на почву: уплотненные колесами трактора борозды с пониженной водопроницаемостью и межколесные, с повышенной водопроницаемостью почвы, подверженных воздействию только рыхлительных рабочих органов культиватора - сошников и окучников. На узкорядных посевах пропашных культур появляется возможность применения водосберегающей технологии полива с подачей воды через междурядье: на сильнопроницаемых почвах в колесные борозды, на средне- и слабопроницаемых - в межколесные борозды (Г.А. Безбородов, 1992). В условиях темных и типичных сероземов почвы относятся к средне и тяжелосуглинистым и поэтому выбраны межколесные борозды. В этом случае уложенное в эти борозды противоэрозионное покрытие не будет мешать пропашному трактору проводить обработку колесных междурядий. Исходя из такого выбора рабочих борозд необходимо было теоретически и экспериментально обосновать технологию полива постоянной струей через междурядье.

Таблица 3. Элементы водосберегающей технологии полива и урожай хлопка-сырца (длина борозд 200м, уклон земли 0,015)

Вариант полива	Оросительная норма, м3/га	КПД полива	Коэффициент равномерности полива	Урожай хлопка-сырца, т/га	Коэффициент вариации урожая по отрезкам 0-50, 50-100, 100-150, 150-200м
	нетто	брутто
1995 г.
Полив постоянной струей (контроль)	6170	9220	0,67	0,73	3,90	0,13
Полив переменной струей	6550	7040	0,93	0,61	4,28	0,22
Дискретный полив	6260	6460	0,97	0,57	4,75	0,17
1996 г.
Полив постоянной струей	5665	7635	0,74	0,80	3,22	0,07
Полив переменной струей	5805	6055	0,96	0,68	3,39	0,07
Дискретный полив	5185	5385	0,96	0,65	3,35	0,06
1997 г.
Полив постоянной струей	6230	7150	0,87	0,84	3,79	0,11
Дискретный полив	5550	5900	0,94	0,70	4,23	0,10
Средние
Полив постоянной струей	6020	8000	0,75	0,79	3,64	0,10
Полив переменной струей	6180	6550	0,94	0,65	3,84	0,15
Дискретный полив	5665	5915	0,96	0,64	41,1	0,11

Полевой опыт по изучению влагопереноса и водопроницаемости почвы проводился на староорошаемом тяжелосуглинистом типичном сероземе Ташкентской области. На хлопковом поле с уклоном поверхности земли 0,015, шириной междурядий 60 см были определены агрохимические и водно-физические свойства почвы: содержание гумуса в слое почвы 0 - 30см составило 1,4 %, в слое 30-50см 1,07 % и в слое 0 - 50см 1,23 %; в этих же слоях почвы подвижного азота содержалось 14,6; 10,5; 12,9 мг/кг; фосфора 43,4; 27,2; 42,8 мг/кг; обменного калия 212, 132, 180 мг/кг соответственно; наименьшая влагоемкость 1 м слоя почвы 31,2 % (объемных), плотность почвы 1,49 г/см3.

При поливах вода подавалась через одно междурядье. Влажность почвы измерялась термостатно-весовым методом в серии пусков воды расходом 0,05 - 0,22 л/с продолжительностью 1,5; 5; 10; 24 часа. В первых трех сериях она измерялась в рабочих бороздах, в четвертой, кроме того, в гребне борозд и в дне смежной нерабочей борозды.

Анализ результатов опыта показал, что влажность почвы в середине неполиваемого междурядья при поливе через междурядье, оказывается достаточно высокой: в слое 0-100 см она составляет 0,86 влажности аналогичного слоя почвы в гребне борозд и 0,92 в слое почвы 20-100 см сопоставляемых элементов. В смежном нерабочем междурядье верхний 0-20 см слой почвы остается достаточно сухим, препятствующим испарению влаги и прорастанию сорной растительности, что дает возможность сокращения числа междурядных обработок пропашных культур, поливаемых через междурядье.

Теоретическое обоснование вида изоплеты влажности почвы, формируемой поливом с подачей воды через одно междурядье, проведено с использованием аналитической зависимости всасывающего потенциала почвенной влаги от влажности почвы и минерализации почвенного раствора (Ю.М.Денисов, Г.А.Безбородов, Ю.Г.Безбородов, 1998)

, (16)

где Ф4 -всасывающий потенциал почвенной влаги, Дж/кг, ц - влагонасыщенность почвогрунтов, %

; (17)

где (1- б1) - пористость, %; б1, б4 - относительные объемы почвенного скелета и почвенной влаги, %; г4 - плотность воды, г/см3; R - универсальная газовая постоянная, R=8,314 Дж/К*моль; Т - абсолютная температура, К; С - концентрация растворенных веществ в жидкой фазе, моль/см3; М, m, N - параметры, зависящие от водно-физических и физико-химических свойств зоны аэрации (скелета почвы) и водного раствора.

Решение уравнения (16) проводилось при следующих условиях:

Начальные

ц(s, x, z, 0) = ц*(s, x, z), ф = 0; (18)

граничные условия t > 0:

верхнее z = 0, 0 ? s ? Sф

, ,

, (19)

где ax - интенсивность атмосферных осадков, мм; Mb - ширина междурядий, м;

нижнее z = - hg, 0 ? s ? SФ

, (20)

левое х = 0

, z > - hg (21)

правое x = Mb

, z > - hg (22)

Решение (двумерной задачи в плоскости. перпендикулярной борозде) проведено методом разделения переменных. Поиск решения осуществлен методом прогонки с итерационной обработкой искомой величины. Проведено сопоставление экспериментальных и расчетных профилей влажности почвы, показывающее небольшое их расхождение, вызванное неоднородностью почвы. Теоретические расчеты и результаты экспериментов указывают на возможность обеспечения приемлемого увлажнения почвы при проведении поливов с подачей воды через одно междурядье.

Однако, всем известным технологиям полива по стандартным бороздам присущи недостатки, обусловленные большой испаряющей поверхностью почвы, необходимостью проведения многократного регулирования водоподачи при поливах и многочисленных междурядных тракторных обработок почвы. Для устранения этих недостатков разработана технология полива по экранированным бороздам, изучение которой проведено на экспериментальных участках сероземной зоны.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования технологии полива по экранированным бороздам.

Опытный участок располагался на Центральной экспериментальной базе УзНИИХ, расположенной на IV и V террасах р.Чирчик. Рельеф - грядовидное мезоповышение. Грунтовые воды залегают на глубине более 10 м.Почва участка - староорошаемый, среднеокультуренный, среднемощный, слобосмытый, незасоленный типичный серозем. Мощность гумусового горизонта 50-60 см, мелкоземистого - более 200 см.

Для экранирования ложа борозд применялась полиэтиленовая пленка толщиной 8 мкм, шириной 60 см, в которой с различным шагом расположены водовыпускные отверстия диаметром 5-6 мм

С целью изучения эффективности применения полиэтиленовой пленки и соломы озимых зерноколосовых на ЦЭБ УзНИИХ автором совместно с Г.А.Безбородовым был заложен полевой опыт, включающий варианты представленные в табл.4.

В исследованиях был изучен тепловой режим почв, оценивалось влияние водного и теплового режима на продуктивность хлопчатника. Для установления сроков полива хлопчатника в гребне борозд отдельных вариантов устанавливали по два тензиометра марки "Иррометр" на глубину 30 и 70 см. Регулярные, 3-6 раз в неделю, наблюдения за всасывающим давлением почвы в четырех вариантах опыта в 1997г. - втором, четвертом, пятом и шестом в соответствии с рекомендованной ранее методикой усреднялись, что давало результаты каркасного потенциала, по которому определялась влажность для 0-100 см слоя почвы.

Таблица 4. Схема вариантов полевого опыта

Варианты поливов	Годы исследований
	1997	1998	1999	2000-2001
Полив по стандартным бороздам через борозду (контроль)	+	+	+	+
Полив через междурядье по бороздам с пленочным покрытием (50% поверхности почвы покрыто пленкой)	+	+	+	+
Полив через междурядье по бороздам с пленочным покрытием (100% поверхности почвы покрыто пленкой)			+	+
Полив через междурядье по бороздам с бумажным покрытием	+
Полив через междурядье по межколесным бороздам	+
Полив по чередующимся бороздам	+
Полив через междурядье по бороздам с соломенным покрытием (50% поверхности почвы покрыто пленкой)	+	+	+
Полив через междурядье по бороздам с соломенным покрытием			+
Полив по обычным бороздам, гребни которых покрыты пленкой		+
Полив по обычным бороздам с подачей воды в каждую борозду		+

Далее были рассчитаны приросты всасывающего давления за отдельные периоды наблюдений и среднесуточные его приросты (табл. 5). Как видно, среднесуточный прирост всасывающего давления почвы при поддержании оптимального режима орошения хлопчатника оказывается одинаковым в вариантах с открытой и экранированной пленкой - 4,1 сб/сут. Солома после полива дольше удерживает влагу и поэтому из почвы, покрытой соломой, испарение оказывается немного выше, чем с открытой и частично покрытой пленкой поверхности почвы - 4,2 сб/сут.

Однако большее норма внесения соломы может снизить испарение. В 1997г. этот вопрос изучался на площадках размером 1,25Ч1,25 м, заложенных на хлопковом поле: с оголенной разрыхленной поверхностью; на 50 % покрытой соломой массой 1 кг; на 100 % покрытой соломой массой 2 кг. На каждой площадке был установлен на глубину 30 см тензиометр, показания которого снимались ежедневно с 16.08 по 08.09. За 23 дня наблюдений прирост всасывающего давления составил 40 сб на первой площадке, 29 сб на второй площадке и 12 сб на третьей; соответственно суточный прирост - 1,7; 1,3; 0,5 сб/сут. Таким образом, существенного снижения испарения с неувлажняемой поверхности можно добиться при использовании большего количества соломы - в 1,4 раза при норме соломы 6,4 т/га и в 3,3 раза при норме 12,8 т/га.

Таблица 5. Динамика всасывающего давления в условиях поверхности почвы, при пленочном и соломенном покрытии, 1997г.

Период наблюдений	Продолжительность, сут	Прирост давления за период, сб	Суточный прирост давления, сб/сут
Открытая почва
25.05-03.06	9	17,5	1,9
06.06-16.06	10	19	1,9
23.06-30.06	7	30	4,3
14.07-22.07	8	53	6,6
30.07-04.08	5	30,5	6,1
12.08-18.08	6	35	5,8
Итого:	45	185	4,1
Пленочное покрытие
25.05-03.06	9	16	18,
06.06-16.06	10	16	1,6
23.06-30.06	7	31	4,4
15.07-17.07	3	26	6,8
28.07-07.08	10	51,5	5,2
11.08-20.08	9	56	6,2
Итого:	48	196,5	4,1
Соломенное покрытие
25.05-03.06	9	9	1,0
06.06-16.06	10	19	1,9
23.06-30.06	7	30	4,3
12.07-22.07	10	68,5	6,9
24.07-04.08	11	65	5,9
05.08-16.08	11	54	4,4
Итого:	58	245,5	4,2

Измерением температуры почвы за период с 17.04.98г. до 01.09.98г. установлено, что в варианте с покрытием борозд пленкой сумма температур на глубине почвы 5, 10 и 15 см оказалась больше контрольной на 598,3; 543,5 и 477 о С. В варианте с покрытием соломой наблюдалось снижение температуры почвы по сравнению с контролем: на глубине 5 см на 114,7 о С, на глубине 10 см на 74,9 о С, на глубине 15 см на 54,4 о С. Эти показатели анализировались с целью выявления влияния на микробиологический состав почв, который рассмотрен ниже и его влияние на питательный режим почв, и как следствие на урожайность культур.

Исследования показали, что экранирование почвы полиэтиленовой пленкой способствует получению высокого урожая хлопка-сырца. Так, за период с 1997г. по 2001г. средний урожай хлопка-сырца составил: на контроле 3,77 т/га; в варианте с экранированием пленкой 50 % поверхности почвы 4,88 т/га; в варианте со 100% экранированием - 6,42 т/га.

Хлопку-сырцу при высоком урожае присущи и хорошие технологические свойства. Анализ хлопка-сырца урожая 1999г. показал, что если на контроле выход волокна составил 32,8 %, то на вариантах 2, 3, 4 и 5 соответственно 35,0 %, 33,3 %, 34,6 % и 37,5 % при одинаковом промышленном сорте хлопкового волокна. Во всех опытных вариантах разрывная нагрузка волокна оказалась также выше, чем на контроле - 24,3; 24,1; 24,1; 24,4 г/с·текс против 24,0 г/с·текс.

Таким образом, покрытие почвы разными материалами при выращивании хлопчатника на типичном сероземе способствует получению высокого и качественного урожая хлопка-сырца. Формирование благоприятного теплового и водного режимов способствует интенсивному развитию корневой системы, которая наиболее полно использует запасы питательных элементов почвы.

Для формирования таких оптимальных режимов в почве необходимо увязать увлажнение почвы с техникой полива.

Исходными положениями для расчета оптимальных элементов техники полива по экранированным пленкой бороздам являются следующие.

Поливы проводятся с подачей воды через одно междурядье;

В пленке водовыпускные отверстия диаметром 5 мм расположены по оси борозды с шагом 1,2 м;

Время добегания воды по экранированной пленкой борозде tд рассчитывается по формуле (Ю.Г.Безбородов, 1998)

; (23)

где kу -установившаяся скорость впитывания воды в почву, м/ч; lб - длина борозды, м; q - расход воды в борозду, м3/ч; i - уклон борозды.

Коэффициент равномерности увлажнения почвы рассчитывается по формуле

; (24)

где hк и hГ - соответственно глубина увлажнения почвы в голове и конце борозды, м,

для i = 0,005 ; (25)

для i = 0,02 - 0,05 ; (26)

где WНВ - влажность почвы при наименьшей влагоемкости, %; Wф - фактическая послеполивная влажность почвы, %; mн - поливная норма нетто, см.

Глубина промачивания в начале борозды равна:

. (27)

Обобщенный показатель эффективного полива Пэп (чем больше Пэп, тем выше качество полива) - объединяющий частные показатели качества полива - КПД, степень равномерности увлажнения почвы, противоэрозионную устойчивость почвы имеет вид:

, (28)

где - КПД борозды; V - коэффициент вариации глубины увлажнения почвы по длине борозды; сп - коэффициент смыва почвы; А1, А2, А3 - параметры, выражающие удельный вес соответствующего частного критерия качества полива (их сумма равна 1).

При поливе по экранированным бороздам устраняется ирригационная эрозия и поэтому в уравнении (28) удельный вес смыва почвы принимается равным нулю, вследствие чего оно принимает вид:

, (29)

В расчете коэффициента эффективности полива (Пэп) приняты следующие значения коэффициентов А:

для бороздкового - А1 = 0,4; А2 = 0,3; А3 = 0,3;

для экранированных борозд и капельного орошения - А1 = 0,6; А2 = 0,4; А3 = 0.

Из этого выражения следует, что чем выше Пэп , тем выше качество полива.

При поливе постоянной струей по обычным и экранированным бумагой бороздам Пэп составил соответственно 0,82 и 0,85, при капельном орошении - 0,96. По показателю качества полива изученные варианты расположились в следующем порядке: капельное орошение, борозды с экраном, борозды без экрана.

Важным параметром для проведения расчета элементов техники полива по экранированным бороздам является kу. Для его определения проведены сравнительные исследования установившейся интенсивности впитывания воды при поливе по обычным и экранированным бороздам на типичном сероземе с различной длиной борозд. Исследованиями установлены осредненные значения: для открытой почвы kу = 0,0042 м/ч (kф = 0,1 м/сут); для экранированной kу = 0,0023 м/ч (kф = 0,05 м/сут). Таким образом установившаяся скорость впитывания воды при поливе по экранированным бороздам примерно в два раза меньше, чем при поливе по стандартным бороздам.

На основании этих исследований в расчетах для почв разной проницаемости значения kу при поливе по экранированным пленкой бороздам приняты в два раза меньшими, чем при поливе по стандартным бороздам.

Исходя из того, что на участках с экранированными бороздами устраняется необходимость проведения послеполивных культиваций появляется возможность проведения частых поливов небольшими норма...