Нормирование орошения с использованием комплексной агрометеорологической информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нормирование орошения с использованием комплексной агрометеорологической информации

Г.В. Ольгаренко

Ф.К. Цекоева

Опыт эксплуатации гидромелиоративных систем в степной зоне России показывает, что присутствует как позитивное, так и негативное воздействие орошения на агроландшафт. С одной стороны, в 2-3 раза повышается продуктивность сельскохозяйственных угодий, решается продовольственная проблема. С другой стороны, не реализуется потенциальный уровень продуктивности сельскохозяйственных культур, при этом отмечается ухудшение экологической обстановки (И.П. Айдаров, В.Н. Щедрин, И.П. Кружилин, М.С. Григоров, В.И. Ольгаренко) [1, 2, 3], которое характеризуется подъемом уровня грунтовых вод, развитием процессов вторичного засоления и осолонцевания почв, водной эрозией, загрязнением природных вод.

Анализ работ российских ученых [3, 4, 5, 6] показывает, что за счет повышения технического уровня гидромелиоративных систем может быть решено 30-40 % существующих экологических проблем. Остальная их часть может быть устранена путем повышения эффективности управления водопользованием. Нерациональное управление даже при самом высоком техническом уровне оросительных систем приводит к непродуктивным потерям воды на сток и инфильтрацию, снижению плодородия орошаемых почв. При этом бесполезно теряются израсходованные на водораспределение ресурсы и энергия, что особенно недопустимо в современных условиях при значительном росте цен на энергоносители и тенденции снижения энергоотдачи от ресурсов, вкладываемых в орошение.

Рассматриваемая как главный фундаментальный элемент гидромелиоративной системы подсистема водораспределения на поле представляет собой совокупность управляющей и технической (управляемой) подсистем, функционирующих в условиях стохастического воздействия внешних факторов. Управляющая подсистема осуществляет нормирование режима, информационное обеспечение, передачу управляющих воздействий и контроль качества функционирования технической подсистемы (управляемой), обеспечивающей практическую реализацию процесса орошения в условиях неопределенности и риска. Управление водным режимом орошаемых земель сопряжено со значительными трудностями, так как динамика влагообеспеченности посевов зависит от большого числа стохастических гидрометеорологических и технологических факторов.

Современный уровень развития компьютерных технологий позволяет преодолеть эти трудности. В России и за рубежом существует множество разнообразных информационных систем и моделей оперативного планирования орошения, точность управления которых зависит как от качества компьютерной техники, так и от того, насколько комплекс применяемых моделей адекватно описывает динамику водного режима агробиоценозов в конкретных почвенно-климатических условиях.

Для существующих моделей оперативного планирования орошения базовая информация включает название хозяйств, код возделываемой культуры и участка, даты посева, максимальные запасы доступной влаги в корнеобитаемой зоне почвы. Метеорологическая информация включает данные о солнечной радиации, температуре воздуха и точки росы, скорости ветра, дефиците влажности воздуха.

Текущая информация включает даты предыдущего полива, допустимого снижения запасов влаги в данную фазу вегетации культуры, даты выпадения последнего дождя в течение расчетного периода, количества влаги, поступившей с осадками и поливом за рассматриваемый период (Е.П. Галямин, Ю.П. Добрачев, И.Н. Ильинская, А.Ю. Черемисинов и др.) [6, 7, 8, 9, 10].

Качество математических моделей зависит от точности определения суммарного испарения и других составляющих водного баланса, величины которых рассчитываются с использованием коррелятивных связей их с метеофакторами и биологическими особенностями растений при помощи биоклиматических коэффициентов.

В основном совершенствование эмпирических моделей сводится к повышению достоверности исходной информации, получению региональных коэффициентов, оценке их изменчивости от тепло-, влагообеспеченности расчетного периода. Для определения коэффициентов по стандартным методикам используют экспериментальные данные, полученные в разные годы, объединяя их для отдельных расчетных периодов (например, для одной фазы развития культуры, но в разные годы исследований). Установлено, что даже при сходных средних агрометеорологических показателях в разные годы их режим распределения и изменчивость могут отличаться, что сказывается на росте и развитии растений, а, следовательно, и суммарном испарении. При экспериментальном определении параметров моделей этот фактор необходимо учитывать.

Анализ научно-технических материалов (М.И. Будыко, А.Р. Константинов, Г.В. Ольгаренко и др.) указывает на реальную возможность повышения точности расчетов по моделям за счет учета количественной изменчивости биоклиматических коэффициентов в зависимости от метеорологических условий и влагообеспеченности посевов в конкретные фазы развития растений [2, 4]. Действительно, в существующих моделях вводятся редукционные коэффициенты, которые учитывают депрессию испарения при снижении влагообеспеченности посевов, но без учета нелинейности связей и конкретных фаз развития растений, что в принципе неверно. С точки зрения физиологии растений, на разных этапах онтогенеза недостаток влаги в почве будет по-разному влиять как на темпы прироста биомассы, так и на интенсивность суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур.

Наиболее существенно повышает точность математических зависимостей количественный учет нелинейности связи между величиной депрессии испарения и недостатком почвенной влаги в конкретные фазы развития растений, учет изменчивости гидрометеорологических условий и применение в расчетах относительных, а не абсолютных величин параметров и коэффициентов.

Для управления орошением с применением математических моделей требуется предварительное теоретическое обоснование и экспериментальное определение норм водопотребления сельскохозяйственных культур, а также наиболее информативных параметров моделей; организация информационного обеспечения, позволяющая получить точные количественные характеристики влагообеспеченности посевов и регулировать водный режим почвы в соответствии с изменяющимися по этапам органогенеза гидрометеорологическими условиями и потребностью растений в воде.

Научные исследования направлены на получение объективной информации о влиянии гидрометеорологических условий, режимов орошения на суммарное испарение и продуктивность агробиоценозов, включающей информационно-аналитические исследования, теоретические разработки и полевые эксперименты.

Задачи исследований:

- сбор и анализ научно-технической информации по влиянию орошения на экологическую обстановку в зависимости от эффективности использования водных ресурсов, технической оснащенности гидромелиоративных систем, качества планирования и управления водным режимом орошаемых земель;

- разработка концепции и основных принципов повышения эффективности орошения на основе совершенствования расчетных методов определения составляющих водного баланса орошаемых земель, улучшения информационного обеспечения процессов планирования и управления орошением;

- исследование влияния гидрометеорологических условий и орошения на формирование водного режима, суммарного испарения и урожайности кукурузы, люцерны и овощных культур;

- исследование влияния влагообеспеченности на суммарное испарение и урожайность, с учетом особенностей водопотребления сельскохозяйственных культур на различных этапах онтогенеза;

- количественная оценка (определение причинно-следственных связей) влияния пространственно-временной изменчивости гидрометеорологических факторов на суммарное испарение, точность расчетных методов и изменчивость эмпирических параметров в моделях для оперативного нормирования орошения и планирования водопользования;

- обоснование и разработка нового расчетного метода определения суммарного испарения, методики нормирования водосберегающих режимов орошения с учетом вероятностного характера гидрометеорологической и водно-балансовой информации;

- разработка рекомендаций по повышению достоверности и точности информационного обеспечения процесса нормирования орошения, усовершенствование методики расчета испаряемости и влагообмена в зоне аэрации по данным гидрометеорологических наблюдений.

Методической основой исследований является системный анализ; методы математической статистики и условной логики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепринятыми методиками выполнения метеорологических, водно-балансовых, агрономических и почвенных опытов. Аналитическая обработка данных выполнена с применением методов корреляционного, регрессионного, дисперсионного анализа. Применены компьютерные программы «Raduga Irrigation» и «ROCK.xls».

Информационно-аналитические исследования базировались на изучении научно-технических материалов и литературных источников с использованием системного подхода, методов функционально-структурного анализа и планирования экспериментов.

Авторами предложена методика расчета суммарного испарения, базирующаяся на совместном решении уравнения водного баланса и параболических зависимостей, описывающих с высокой степенью достоверности (r = 0,8-0,9) связь между суммарным испарением, тепло-, влагообеспеченностью вегетационного периода и влажностью почвы в различные фазы развития растений.

Для ряда культур (ячменя, люцерны, капусты, лука, томатов, моркови, свеклы) получены зависимости суммарного испарения от влажности почвы, учитывающие нелинейный характер причинно-следственных связей в системе почва - растение - изменчивость гидрометеорологических условий, и имеющие общий вид:

,

где - суммарное испарение, мм;

- испаряемость, мм;

, , - влагозапасы, соответственно, на начало и конец вегетационного периода и при влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости, мм.

Аналитическая зависимость, разработанная авторами на основе теоретически обоснованных уравнений с использованием эмпирических параметров, позволяет учесть влияние изменчивости метеорологических условий, влагообеспеченности посевов на суммарное испарение в конкретные фазы развития сельскохозяйственных культур.

Предложена методика оперативного планирования экономически эффективных и экологически безопасных режимов орошения, обеспечивающая рациональное использование водных, энергетических и материально-технических ресурсов. Получены математические зависимости для оценки влияния влагообеспеченности на урожайность сельскохозяйственных культур для обоснования проектных и эксплуатационных режимов орошения. Разработаны методики определения оптимальной расчетной обеспеченности оросительных норм и оперативного планирования водопользования, применяемые при проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем.

Для проверки точности разработанной методики была произведена сравнительная оценка ее с общепринятыми методами расчета суммарного испарения. В качестве основных расчетных зависимостей применялись аналитические выражения, предложенные А.М. Алпатьевым и С.И. Харченко на основе прямолинейной зависимости, и параболическое уравнение, предложенное авторами. Рассчитанные по уравнениям величины суммарного испарения () сравнивались с фактическими независимыми данными при исследовании режимов орошения и водопотребления люцерны в сходных гидрометеорологических условиях.

Коэффициент з, являющийся критерием качества расчетных методов, составил 0,94 при расчетах по формуле А.М. Алпатьева и превысил 0,8. Это говорит о том, что методика может давать существенные ошибки. При расчетах по формуле С.И. Харченко коэффициент з = 0,76 и попадает в диапазон значений 0,5-0,8. Следовательно, эту методику можно признать удовлетворительной. При расчетах по формуле авторов з = 0,35, его величина меньше 0,5. Следовательно, методику расчета можно признать хорошей в соответствии с методикой оценки качества прогнозов, изложенной в нормативном документе «Наставление службе прогнозов» [11].

Комплексное применение методик нормирования орошения позволяет повысить точность расчетов суммарного испарения, динамики влажности почвы и поливных норм, оперативного планирования поливов, а следовательно, и эффективность орошения.

Результаты работы использованы при составлении трех нормативно-методических документов, свода правил, технологической инструкции, методических рекомендаций, подготовки курса лекций и учебно-методических работ по специальностям «Мелиорация сельскохозяйственных земель» и «Рациональное природопользование».

Список использованных источников

орошаемый земля почвенный влага

1. Щедрин, В.Н. Орошение сегодня: проблемы и перспективы / В.Н. Щедрин. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2004. - 255 с.

2. Ольгаренко, В.И. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем / В.И. Ольгаренко, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Рыбкин: под ред. В.И. Ольгаренко. - Коломна: Инлайт, 2006. - 391 с.

3. Айдаров, И.П. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель / И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Ю.Н. Никольский. - М.: ВО «Агропромиздат», 1990. - 58 с.

4. Константинов, A.P. Нормирование орошения: методы, их оценка, пути уточнения / A.P. Константинов, Э.А. Струнников // Гидротехника и мелиорация. - 1986. - № 1. - С. 19-28. - № 2. - С. 33-42.

5. Капустина, Т.А. Исследование и оценка циклических изменений климатических показателей по природным зонам агроландшафтов Нечерноземья и ЦЧО / Т.А. Капустина, И.М. Аванесян, Е.Ю. Спирина // Сборник научных трудов. - Ч. 2. - М.: МГУП, 2005. - С. 217-223.

6. Галямин, Е.П. Оптимизация оперативного распределения водных ресурсов в орошении / Е.П. Галямин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 272 с.

7. Щедрин, В.Н. Изменчивость природного увлажнения территории Северного Кавказа / В.Н. Щедрин, И.Н. Ильинская // МиВХ. - 2002. - № 5. - С. 23-24.

8. Черемисинов, А.Ю. Управление водными режимами экологически сбалансированной агросистемы на орошаемых черноземах: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук: 06.01.02 / Черемисинов Александр Юрьевич. - Волгоград, 1993. - 35 с.

9. Расчет режимов орошения сельскохозяйственных культур и проектных норм водопотребности. Методические рекомендации / Г.В. Ольгаренко [и др.]: под общ. ред. Г.В. Ольгаренко. - Коломна: Инлайт, 2012. - 151 с.

10. Головатый, В.Г. Модели управления продуктивностью мелиорируемых агроценозов / В.Г. Головатый, Ю.П. Добрачев, И.Ф. Юрченко. - М.: ВНИИГиМ, 2001. - 166 с.

11. Наставление по службе прогнозов. Раздел 2. Служба метеорологических прогнозов. - М.: Гидрометеоиздат, 1981 - 56 с.

Размещено на Allbest.ru