Водопотребность сельскохозяйственных культур при капельном орошении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 633: 631. 671

Водопотребность сельскохозяйственных культур при капельном орошении

Г.А. Сенчуков, И.В. Новикова (ФГБОУ ВПО «НГМА»)

Аннотация

оросительный сельскохозяйственный капельный плодовый

Целью работы является обоснование методов определения оросительных норм сельскохозяйственных культур в условиях капельного орошения. Согласно первому методу необходимо за непрерывный ряд лет (не менее 25) по метеопараметрам определить значения дефицитов водопотребления и выбрать расчетный год. После выбора расчетного года (при капельном орошении 5 % обеспеченности) рассчитывают дефициты водопотребления по внутривегетационным периодам. В статье представлены результаты расчета дефицитов водопотребления плодового сада для условий крайне сухого года по метеостанции Семикаракорск. Схема посадки деревьев - 6Ч4 м. Площадь питания - 24 м². Для полива 1 дерева приняты 2 капельницы с расходом по 6 л/ч. Площадь увлажнения - 3,14 м². Расчет выполнен для среднесуглинистых почв. Величина наименьшей влагоемкости = 320 мм. Значение оросительной нормы для условий крайнесухого года составило 1,794 м³/на 1 дерево или 747 м³/га. Согласно второму подходу - методу фиктивного расчетного года - необходимо иметь среднемноголетние значения метеорологических факторов, по которым рассчитывают дефициты водопотребления за внутригодовые периоды, суммируют их за вегетационный период заданной культуры, получают значения оросительной нормы для среднемноголетних условий. Для установления оросительной нормы для года заданной обеспеченности необходимо оросительную норму для среднемноголетних условий умножить на модульный коэффициент заданной обеспеченности. Величина оросительной нормы для среднемноголетних условий составила 1,204 м³/на 1 дерево или 501,7 м³/га.

Ключевые слова: оросительная норма, дефицит водопотребления, капельное орошение, площадь увлажнения, эвапотранспирация, биоклиматический коэффициент.

Annotation

The objective of the study was to substantiate the methods to determine irrigation requirements for agricultural crops under drip irrigation. According to the first method, the values of water consumption deficits should be determined by meteorological parameters for continuous number of years (more than 25 years), and the rated year should be chosen. After the rated year has been chosen (for drip irrigation 5 % of probability), the water consumption deficits are calculated by intra vegetation periods. The paper results the calculation of the water consumption deficits for orchards in Semikarakorsk for extremely dry year. Tree planting scheme is 6Ч4 m². Region of plant alimentation is 24 m². Two emitters discharging 6 liters per hour are required to irrigate one tree. Area wetted is 3.14 m². The calculation was done for medium loamy soils. Field capacity is 320 mm. Irrigation requirement for extremely dry year was 1.794 m³ per one tree, or 747 m³/ha. According to the second method of fictitious rated year, the average annual values of meteorological factors should be available. Using those factors, water consumption deficits for intra vegetation periods are calculated, deficits for a given crop are summarized, and finally irrigation requirements for average long-term conditions are obtained. To determine irrigation requirements for the year of a given probability, irrigation requirements for average long-term conditions should be multiplied by the modular coefficient. Irrigation requirements for average long-term conditions were 1.204 m³ per one tree, or 501.7 m³/ha.

Keywords: irrigation requirements, water consumption deficits, drip irrigation, area wetted, evapotranspiration, bioclimatic coefficient.

Применение дождевого (дождевания) и наземных (поверхностных) видов полива при возделывании сельскохозяйственных культур не всегда приносит ожидаемые результаты в виде высоких урожаев и повышения плодородия почв. При больших («грузных») поливных нормах наблюдается эффект промывки почвенного слоя. При этом вместе с поливным током воды полезные для растений элементы перемещаются из верхних в более глубокие слои почвы, где они практически недоступны для корневой системы растений. Применение дождевания и технологий поверхностного полива на склонах обусловливает эрозию почв.

Выходом из сложившейся ситуации в сложных рельефных и природно-климатических условиях, где использование водообъемных технологий полива связано с определенным риском, является применение микрообъемных технологий орошения сельскохозяйственных культур. К таким технологиям и системам относятся мелкодисперсное и синхронноимпульсное дождевание (тумановое орошение), подземное и капельное орошение сельскохозяйственных культур.

Из перспективных технологий орошения наибольшее распространение получило капельное орошение сельскохозяйственных культур, под которым понимается орошение с подачей оросительной воды в корневую зону растений каплями или микроструями из капельниц, располагаемых над поверхностью почв, на поверхности почв или в почвенном слое. Используя этот способ полива, мы создаем растениям оптимальные условия для их роста, развития и плодоношения.

При проектировании систем капельного орошения необходимо наряду с заданием на вид сельскохозяйственного использования угодий определиться со схемой посадки растений, что позволит установить расстояния между капельницами и между поливными трубопроводами. Большое значение имеет разработка режима орошения сельскохозяйственных культур, главной составляющей которого является оросительная норма.

Оросительная норма (нетто) за вегетационный период определяется по дефициту водопотребления сельскохозяйственной культуры по следующей формуле:

,(1)

где - дефицит водопотребления сельскохозяйственной культуры, мм.

Определение дефицита водопотребления сельскохозяйственной культуры при капельном орошении имеет свои особенности, так как не вся площадь питания растений увлажняется. Поясним, что следует понимать под площадью увлажнения и площадью питания.

Площадь питания растений зависит от схемы посадки, числа растений на одном гектаре.

Для определения площади увлажнения необходимо знать расход капельницы и гранулометрический состав почвогрунта.

Эмпирические зависимости диаметра и площади увлажнения от расхода капельницы в зависимости от гранулометрического состава почвогрунта по результатам обработки данных УкрНИИГиМ приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Уравнения связи расхода капельницы () и диаметра площади увлажнения () для различных по гранулометрическому составу почв

Таблица 2 - Уравнения связи расхода капельницы () и площади увлажнения () для различных по гранулометрическому составу почв

Дефицит водопотребления сельскохозяйственной культуры можно определить как разность между потребными и наличными ресурсами увлажнения.

Потребные влагоресурсы можно определить по зависимости:

,

где - эвопотранспирация (суммарное водопотребление), м;

- площадь увлажнения, м²;

- суммарное испарение в естественных условиях увлажнения, м;

- площадь питания, м².

Наличные влагоресурсы можно определить по зависимости:

,

где - эффективные атмосферные осадки, м;

- использование почвенных влагозапасов из расчетного слоя увлажняемой зоны, м;

- использование почвенных влагозапасов из расчетного слоя не увлажняемой зоны площади питания, м.

Выразим отношение площадей увлажнения и питания растений через , тогда .

Дефицит водопотребления сельскохозяйственной культуры при капельном орошении можно установить по зависимости:

.(2)

В зависимости от того, какую подставляем площадь увлажнения (на 1 растение (дерево, куст), на 100 метров длины ряда (овощи), на 1 гектар), будем получать дефицит увлажнения (м³), отнесенный к названным значениям: м³/на 1 дерево, м³ на 100 п. м длины ряда, м³/га.

Величину эвопотранспирации за расчетный интервал времени можно определить из соотношения:

,

где - испаряемость, м³/га;

- биоклиматический коэффициент водопотребления, определяемый по результатам научных исследований. Ориентировочные значения этих коэффициентов в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха от начала вегетации для ряда сельскохозяйственных культур по природно-климатическим зонам приведены в справочнике «Орошение» [1].

Примерные осредненные значения биоклиматических коэффициентов водопотребления для плодовых насаждений и винограда приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения биоклиматических коэффициентов водопотребления () по фазам развития растений

Биоклиматические коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур для расчета поливного режима по испаряемости приведены в таблице 4.

Испаряемость можно определить по формуле Н. Н. Иванова:

- за месяц, мм;

- за декаду, мм,

где - среднемесячная или среднедекадная суточная температура воздуха, в градусах Цельсия, °С;

- среднемесячная или среднедекадная относительная влажность воздуха, %.

Таблица 4 - Осредненные биоклиматические коэффициенты сельскохозяйственных культур

При расчете дефицитов водопотребления объем осадков принимается по данным наблюдений ближайшей метеостанции.

Значения активных почвенных влагозапасов принимаются по материалам агрометеорологических станций или результатам научных исследований.

Испарение в естественных условиях и использование почвенных влагозапасов для неувлажненной зоны питания рассчитывается по методике профессора В. С. Мезенцева [2].

Исходя из данных справочника по агроклиматическим ресурсам, почвенные влагозапасы метрового слоя (на начало расчета) принимаются равными наименьшей влагоемкости в относительных единицах.

Средние влагозапасы за период вегетации по отношению к наименьшей влагоемкости определяются по формуле:

,

где - параметр, характеризующий водно-физические свойства почвы, принимается по рекомендациям профессора Г. А. Сенчукова [3];

- величина испаряемости, мм;

- почвенные влагозапасы в расчетном слое почвы, соответствующие наименьшей влагоемкости, мм;

- почвенные влагозапасы на начало расчетного периода в относительных единицах.

Почвенные влагозапасы (в относительных единицах) на конец расчетного периода устанавливают по формуле:

.(3)

Использование почвенных влагозапасов из расчетного слоя увлажняемой зоны обусловливается разностью между почвенными влагозапасами, соответствующими верхнему уровню увлажнения (обычно наименьшая влагоемкость) и нижнему уровню увлажнения (обычно 80 % от наименьшей влагоемкости). Таким образом:

.

Величина распределяется в течение всего вегетационного периода обратно пропорционально осадкам или равными значениями.

Использование почвенных влагозапасов из расчетного слоя не увлажняемой зоны площади питания будет равно:

.

Испарение за расчетный период зоны естественного увлажнения устанавливаем по формуле:

,

где - параметр, определяемый условиями стокообразования [3].

При прогнозировании (расчете) оросительной нормы для заданного сельскохозяйственного угодья можно использовать три нижеописанных подхода.

Первый подход - метод реального расчетного года. Метод наиболее теоретически обоснован и для его реализации требуются длинные (многолетние) ряды наблюдений за основными метеорологическими факторами.

Для вычисления дефицита водопотребления, то есть прогнозирования оросительной нормы и расчета режимов орошения требуется обосновать (выбрать) расчетный год. За расчетный, при проектировании капельного орошения, принимают крайне засушливый год 5 % обеспеченности по дефициту водопотребления за вегетационный период. Чтобы решить эту задачу, необходимо иметь результаты измерений на ближайшей метеостанции температуры и относительной влажности воздуха, слоя осадков за период не менее 25 лет. Для отмеченного вегетационного периода по годам устанавливают значения по формуле:

.

Далее располагают ряд значений в убывающем порядке. Устанавливают место года в ряду переменной по формуле:

,

где - заданная обеспеченность, %;

- число лет наблюдений в ряде.

Выделяют год (реальный), для которого обеспеченность соответствует 5 % (крайнесухой год).

После выбора расчетного года выписывают подекадные или помесячные значения температуры и относительной влажности воздуха, слоя осадков, значения , и по формуле (2) рассчитывают дефициты водопотребления по внутривегетационным периодам, а по формуле (1) устанавливают оросительную норму.

Согласно первому методу выполнен расчет оросительной нормы плодового сада при капельном орошении для метеостанции Семикаракорск. Схема посадки деревьев - 6Ч4 м. Почвы - среднесуглинистые. Наименьшая влагоемкость метрового слоя почвы - 320 мм. Расчетный период принят с 1.04 по 30.09. С использованием результатов измерений температуры и относительной влажности воздуха, слоя осадков за период с 1966 по 1999 годы определены значения испаряемости, эвапотранспирации и дефицитов водопотребления за каждый месяц вегетационного периода и в целом за весь период вегетации для каждого года непрерывного ряда лет. Результаты расчетов представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Расчет дефицита водопотребления за период с 1.04 по 30.09 по годам

После выбора расчетного года (5 % обеспеченности) определены подекадные значения эвапотранспирации. Для полива одного дерева принято 2 капельницы с расходом по 6 л/ч (6 л/ч). Площадь питания растений при схеме посадки деревьев 64 м составит м². Площадь увлажнения одной капельницы определяется по зависимости, представленной в таблице 2, и составит:

0,038 = = 1,57 м².

Так как на одно дерево приходится две капельницы, то площадь увлажнения будет равна:

м².

Отношение площади увлажнения к площади питания:

.

Величина почвенных влагозапасов (в относительных единицах) для условий крайнесухого года на начало расчетного периода (на 1.04) . Согласно рекомендациям Г. А. Сенчукова [3] приняты следующие параметры: = 2,2 и = 3,0. Значение почвенных влагозапасов (в относительных единицах) на конец первого расчетного периода (на 10.04) определяется по формуле (3). Далее на начало следующего расчетного периода (на 11.04) величина почвенных влагозапасов (в относительных единицах) принимается равной одноименной величине на конец предыдущего расчетного периода, то есть , и так далее. Расчет производится для всего вегетационного периода.

Дефициты водопотребления плодового сада определяются по формуле (2) подекадно в м³/на 1 дерево и в м³/га. При получении отрицательного значения , рекомендуется принять . Результаты расчета представлены в таблице 6.

Второй подход - метод фиктивного расчетного года.

Для реализации этого метода необходимо иметь среднемноголетние значения метеорологических факторов.

Используя формулу (2), рассчитывают дефициты водопотребления за внутригодовые периоды, суммируя их за вегетационный период заданной культуры, получают значения оросительной нормы для среднемноголетних условий, т. е. 50 % обеспеченности - . Для установления оросительной нормы для года % обеспеченности используется зависимость:

,(4)

где - модульный коэффициент заданной обеспеченности.

Для его расчета необходимо знать коэффициенты вариации () и асимметрии (). Первый из них устанавливается по результатам проведенных исследований. В рассматриваемом случае .

Коэффициент асимметрии рядов переменных, составленных из дефицитов водопотребления (оросительных норм), по данным наших исследований может быть принят равным нулю. Модульные коэффициенты на заданную обеспеченность при = 0 могут быть рассчитаны по формуле:

,(5)

где - процент обеспеченности оросительной нормы в долях от единицы;

- поправочный коэффициент, обусловленный несоответствием уравнений прямой и теоретической кривой обеспеченности. Его значения составляют: при = 5 % = 1,80; при =25 % = 1,40.

Таблица 6 - Расчет дефицита водопотребления и оросительной нормы плодового сада для условий крайнесухого года (м/с Семикаракорск; почвы - средние суглинки; W_НВ = 320 мм; r = 2,2; n=3,0; схема посадки 6Ч4 м, S_пит = 24,0 м², 2 капельницы с расходом по 6 л/ч каждая; S_увл = 3,14 м², k_к = 0,13)

Расчет выполнен по метеостанции Семикаракорск для среднемноголетних условий. Значения метеопараметров приняты по Агроклиматическому справочнику Ростовской области [4]. Величина почвенных влагозапасов (в относительных единицах) на начало первого расчетного периода для среднемноголетних условий принята . Результаты расчета представлены в таблице 7.

Согласно расчетам значение оросительной нормы для среднемноголетних условий, то есть 50 % обеспеченности - м³/на 1 дерево. Модульный коэффициент на 5 % обеспеченность, рассчитанный по формуле (5), при и составит: . Значение оросительной нормы для года 5 % обеспеченности (крайне сухого года) по формуле (4) равно:

м³/на 1 дерево.

Согласно первому методу величина оросительной нормы для крайне сухого года составила 1,794 м³/на 1 дерево, что практически соответствует значению оросительной нормы, рассчитанной по второму методу (1,789 м³/на 1 дерево).

Третий подход - упрощенный метод. При отсутствии продолжительного ряда наблюдений основных метеорологических показателей, а также в целях упрощения решения поставленной задачи оросительная норма для капельного орошения на год заданной обеспеченности может быть взята из справочной (научной) литературы, а также принята по результатам научных исследований.

Для установления сроков полива необходимо иметь интегральную кривую дефицитов водопотребления. Установленная оросительная норма и есть дефицит водопотребления за вегетационный период. Внутригодовое распределение можно выполнить, распределив величину оросительной нормы по внутривегетационным декадным или месячным периодам для реального (выбранного) года расчетной обеспеченности пропорционально климатическим значениям дефицита водного баланса.

Таблица 7 - Расчет дефицита водопотребления и оросительной нормы плодового сада для среднемноголетних условий (м/с Семикаракорск; почвы - средние суглинки; W_НВ = 320 мм; r = 2,2; n = 3,0; схема посадки 6Ч4 м, 2 капельницы с расходом по 6 л/ч каждая; S_пит =2 4,0 м², S_увл = 3,14 м², k_к = 0,13)

Приведенные расчеты позволяют построить интегральные кривые дефицитов водопотребления на заданный процент обеспеченности. Для определения сроков полива и продолжительности межполивных периодов необходимо знать величины поливных норм.

Список использованных источников

1 Орошение: справочник / Б. Б. Шумаков [и др.]; под ред. Б. Б. Шумакова. - М.: Агропромиздат, 1990. - 409 с.

2 Мезенцев, В. С. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций: учеб. пособие / В. С. Мезенцев. - Омск: Изд-во Омского СХИ, 1993. - 127 с.

3 Сенчуков, Г. А. Ландшафтно-экологические и организационно-хозяйственные аспекты обоснования водных мелиораций земель / Г. А. Сенчуков. - Ростов-н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - 276 с.

4 Агроклиматические ресурсы Ростовской области: справочник. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 251 с.

Сенчуков Герман Александрович - кандидат сельскохозяйственных наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор.

Контактный телефон: 8-950-852-44-52

E-mail: rekngma @magnet.ru, ngma-nauka@yandex.ru

Новикова Инна Викторовна - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), доцент.

Контактный телефон: 8-906-182-99-43

E-mail: in.nowickowa2012@yandex.ru

Размещено на Allbest.ru