Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Допустимые технологические параметры искусственного дождя при орошении дождеванием сельскохозяйственных угодий

Д.Л. Обумахов, В.Н. Шкура, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета; А.А. Чураев, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Аннотация

Целью исследований являлось получение математической зависимости для определения допустимой интенсивности искусственного дождя при поливе разных типов почв. Обобщаются данные экспериментальных исследований по определению допустимых технологических параметров дождевого орошения. К таким параметрам относится допустимая интенсивность искусственного дождя и связанная с ней допустимая продолжительность непрерывного дождевого орошения. Экспериментально полученный банк данных, содержащий значения интенсивности дождя и продолжительности полива для различных почвенных условий при среднем диаметре капель искусственного дождя 0,9-1,0 мм, позволил получить математическую зависимость, описывающую функциональную связь этих параметров. Представлена система экспериментальных зависимостей, полученных для широкого спектра почвенных, топографических и фенологических условий орошаемого участка. Предлагаемые зависимости позволяют получить расчетные значения допустимой интенсивности искусственного дождя для полива песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых почв в широком диапазоне уклонов поверхности земли на открытых и фитопокрытых сельскохозяйственных угодьях. Установленная и математически описанная функциональная связь между допустимой интенсивностью искусственного дождя и допустимой продолжительностью полива позволяет с приемлемой (до 8%) для практики точностью определить взаимоувязанное соотношение указанных технологических параметров полива для широкого спектра почвенных, топографических и фитозащитных условий орошаемых сельскохозяйственных угодий.

Ключевые слова: искусственный дождь, дождевое орошение, интенсивность дождя, продолжительность полива, наименьшая влагоемкость, скорость впитывания воды, почвенный слой.

Abstract

The objective of the research is to obtain a math relationship for allowable intensity of artificial rain at irrigation of different types of soil. Experiment data on allowable technological parameters of sprinkler irrigation were generalized. Those parameters were allowable intensity of artificial rain and related to it allowable duration of continuous sprinkler irrigation. Experiment data containing the values of rain intensity and irrigation event duration for different soil conditions at an average drop diameter of artificial rain 0.9-1.0 mm enable to obtain a math relationship which describes functional relation of these parameters. System of experiment relationships obtained for a wide range of soil, topographic, and phenological conditions of irrigated site was presented. Relationships proposed allow obtaining calculation values of intensity of artificial rain for irrigation of sand, sandy loam, loam, and clay soils in a wide range of slopes of bare and covered agricultural lands. The established and math functional relationship between allowable intensity of artificial rain and allowable duration of irrigation event enables with acceptable accuracy (up to 8 %) for practice to determine interrelated ratio of technological irrigation parameters mentioned for a wide range of soil, topographic, and phyto-protective conditions of irrigated agricultural lands.

Keywords: artificial rain, sprinkler irrigation, intensity of rain, duration of irrigation event, field capacity, infiltration rate, soil layer.

искусственный дождь полив орошаемый

При оценке качества и структуры искусственного дождя, формируемого при поливе дождевальными устройствами, машинами и аппаратами, рассматриваются такие его параметры, как крупность капель и интенсивность выпадения дождя на орошаемый участок [1-9].

Одним из определяющих показателей, используемых при конструировании, выборе и (или) расчете эксплуатационных режимов дождевальных машин, установок и дождевателей, является величина интенсивности искусственного дождя (, мм/мин). Под интенсивностью искусственного дождя понимается величина подаваемого (дождевателем, дождевальной машиной или установкой) на поверхность земли слоя поливной воды (, мм) в единицу времени ( = 1 мин), численно определяемая соотношением (мм/мин), где - высота формирующегося слоя поливной воды (искусственного дождя) на определенной площади (поверхности) увлажняемого участка в мм, а = 1 мин - время (продолжительность) полива (водоподачи), в течение которого(ой) данный слой поливной воды непрерывно подается из дождевального устройства (насадки, аппарата, дождевателя, машины или установки). По данным «Словаря-справочника гидротехника-мелиоратора» (2014) [10], различают мгновенную, действительную (истинную) и среднюю (условную или условно-расчетную) интенсивность искусственного дождя.

В практических расчетах чаще всего используется средняя (условно-расчетная) интенсивность искусственного дождя (, мм/мин), под которой понимается отношение слоя выпадающей поливной воды (, мм) наодновременно (непрерывно) поливаемую площадь участка земной поверхности ко времени выдачи этого слоя воды дождевальным устройством (машиной, установкой, дождевателем) продолжительностью 1 мин. Величина (мм/мин) может быть определена через отношение (минутного) расхода водоподачи к политой дождевальным устройством площади земной поверхности за определенную единицу времени (обычно 1мин), то есть .

При выборе дождевателя (дождевального устройства) или планировании «поливного режима дождевания» средняя интенсивность искусственного дождя (, мм/мин) сопоставляется с допустимой (достоковой) интенсивностью искусственного дождя (, мм/мин), под которой понимается интенсивность его выпадения на земную поверхность без образования луж и поверхностного стока поливной воды. Величина допустимой (достоковой) интенсивности искусственного дождя преимущественно зависит от физико-химических (водно-физических или «водовпитывающих») характеристик почвенного покрова, состояния и параметров растительного покрова и в несколько меньшей степени от структуры дождя (преимущественно от среднего размера дождевых капель). Кроме указанного на величину достоковой интенсивности искусственного дождя в различной степени влияют уровень дополивной влажности почвы, характер разрыхленности (уплотненности) почвенного слоя, продолжительность непрерывной подачи поливной воды (полива) и уклон поверхности орошаемого участка.

Многофакторное воздействие условий полива на величину допустимой интенсивности искусственного дождя предусматривает необходимость проведения обстоятельных полевых исследований по ее определению на орошаемом участке как на стадии изысканий, так и при эксплуатации. Между тем реальная практика орошения сельскохозяйственных культур нуждается в расчетном определении этого параметра по показателям водно-физических свойств почвенного покрова, топографическим и фенологическим условиям орошаемого участка. Получение соответствующих расчетных зависимостей и методики расчета было поставлено целью проведенных исследований.

Материалы и методы. На основании опытных данных для «открытой почвы» (то есть при отсутствии на ней растительного покрова) с уклонами поверхности земли = 0…0,11 допустимая (достоковая) интенсивность искусственного дождя при среднем размере (диаметре) капель, равном (0,9 0,1) мм, для непрерывного дождевого полива в течение 1 ч (то есть при = 60 мин) на стадии предварительных расчетов может быть определена в зависимости от гранулометрических показателей почвы (по содержанию в ней определенного количества глинистых частиц в процентах от объема почвенного образца, изменяющегося в пределах 5-75 %) по экспериментальной формуле, мм/мин:

.(1)

Допустимая интенсивность искусственного дождя может быть определена в зависимости от скорости напорного впитывания воды в почву при напорной технологии водоподачи (то есть с поддержанием слоя воды, покрывающего поверхность земли) по полученной на основе экспериментальных исследований формуле, мм/мин:

,(2)

где - скорость напорного впитывания воды в почву на конец 1-го часа непрерывного полива, которая определяется по методике [11], предусматривающей покрытие поверхности почвы водой ( мм/мин).

В зависимости от значений наименьшей влагоемкости () увлажняемого почвенного слоя допустимая интенсивность искусственного дождя, подаваемого на фитонепокрытую поверхность земли, на основании анализа проведенных исследований может быть определена по соотношению, мм/мин:

,(3)

где - наименьшая влагоемкость почвенного слоя, в процентах от массы сухой почвы.

Значения могут быть определены для различных значений в диапазоне их изменения от МСП.

Результаты и обсуждение. В процессе исследований выявлено, что ни один из рассмотренных показателей водно-физических свойств почв (, и ) не является определяющим и всеобъемлющим (универсальным) для установления значений допустимой (достоковой) интенсивности искусственного дождя. В связи с этим в практических расчетах рекомендуется определять значения по двум, а по возможности и потрем водно-физическим показателям почв и за окончательную ее величину принимать среднее значение, полученное по всем вышерассмотренным показателям [; ; ]. При таком подходе получают расчетные значения , вполне приемлемые (с точностью до 8 %) для практических расчетов (таблица 1).

Таблица 1 - Данные сопоставления опытных и расчетных значений допустимой интенсивности искусственного дождя при непрерывном дождевании различных фитонепокрытых почв в течение 60 мин, в мм/мин

Анализируя данные таблицы 1, можно сделать заключение, что при отсутствии универсальной водно-физической характеристики, достаточно точно определяющей физический процесс впитывания поливной воды в почву и стекания ее по поверхности почвенного покрова, допустимую интенсивность искусственного дождя желательно определять постановкой полевых исследований на конкретном объекте орошения, а на стадиях предварительных расчетов допустимо использовать осредненные значения , определенные по зависимостям (1), (2) и (3) с использованием отдельных водно-физических показателей.

На величину допустимой интенсивности искусственного дождя кроме водно-физических свойств почвы и топографии (уклона) поверхности орошаемого участка оказывает влияние степень стеблелистового покрытия поверхности земли (почвенного покрова).

При поливе частично (от 10 до 70 %) фитопокрытого почвенного покрова (поверхности земли, покрытой растительностью) допустимая интенсивность искусственного дождя может быть определена по соотношению, мм/мин:

,

где - площадь проективного покрытия стеблестоем и листьями орошаемой площади или площадь проективного покрытия надземной частью растений площади их питания ().

Результаты сопоставления расчетных и опытных значений допустимой интенсивности искусственного дождя для частично фитопокрытой площади орошения (при ) приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Опытные и осредненные по трем водно-физическим показателям расчетные значения допустимой интенсивности искусственного дождя для частично фитопокрытой площади орошения (при степени покрытия поверхности земли щ_п.п./щ_пит ? 0,5 и t_в/пол = 60 мин), в мм/мин

Приведенные в таблицах 1 и 2 значения допустимой интенсивности искусственного дождя соответствуют продолжительности непрерывной подачи поливной воды (продолжительности водоподачи или полива ), составляющей 60 мин. В реальных условиях при непрерывном дождевании продолжительность полива (в зависимости от величины поливной нормы и интенсивности дождя) может быть как меньше, так и больше этой величины, что требует определения и использования соотношения . Необходимость установления и применения в расчетах вышеуказанной функциональной связи определяется известной закономерностью изменения скорости впитывания (впитывающей способности почвы) воды в почвенный слой во времени [12] и обоснованным требованием к соблюдению условия (или ). Отметим реальность факта различия между численными значениями скорости напорного и безнапорного (дождевого) впитывания воды в почву при качественной идентичности закономерности [13]. Добавим, что для отображения функциональной связи предложен ряд расчетных зависимостей, с различной степенью точности ее описывающих, а вопросу изучения скорости безнапорного впитывания воды в почву уделено значительно меньше внимания при существенном отличии «физики» процесса впитывания.

Для оценки и сопоставления функциональных связей и был проведен соответствующий эксперимент в условиях супесчаной почвы, характеризуемой значениями = 15 % и отМСП, на площадках с уклоном поверхности . Продолжительность периода измерений скорости напорного и безнапорного впитывания составляла мин. В эксперименте с напорным впитыванием слой воды на поверхности земли составлял ? 1 см, а интенсивность искусственного дождя была равна = 0,50 мм/мин.

Полученные опытные данные аппроксимируются зависимостями вида:

-при напорном впитывании:

;

-при безнапорном впитывании:

.

Приведенные опытные данные (таблица 3) и аппроксимирующие их зависимости позволяют отметить значительные количественные отличия в скоростях напорного и безнапорного впитывания. Нахождение связи между этими параметрами ( и ) возможно, но для многофакторных условий потребует значительного объема экспериментальных данных.

Применительно к рассматриваемому вопросу (в части определения допустимой интенсивности искусственного дождя) проще и надежнее установить связь между и продолжительностью полива без луже- и стокообразования () или между величиной и продолжительностью непрерывного полива (непрерывной подачи поливной воды на орошаемую поверхность сельскохозяйственных угодий) .

Таблица 3 - Данные определения скорости напорного и безнапорного впитывания поливной воды в почву для супесчаных почв (V_г/ч = 15 %, W_НВ = 12 % от МСП при i_п = 0)

Экспериментально полученный банк данных, содержащий значения и для различных почвенных условий при среднем диаметре капель искусственного дождя = (0,9 0,1) мм, позволил получить зависимость, приемлемо (с точностью 8 %) описывающую функциональную связь этих параметров:

,

где - экспериментально устанавливаемый параметр, зависящий от водно-физических («водовпитывающих») характеристик почв.

Пример аппроксимации опытных данных, полученных в условиях полива песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых почв для приведенных выше диапазонов изменения их водно-физических показателей, проиллюстрирован рисунком 1.

Исходя из данных рисунка 1, необходимые для расчетов значения и могут быть установлены при известных значениях параметра П, величина которого зависит от таких водно-физических констант, как , и , и может быть определена по нижеприведенным экспериментальным зависимостям:

Рисунок 1 - Допустимые сочетания интенсивности искусственного дождя и продолжительности полива для различных типов почв []

,(4)

где - параметр, определенный по объему глинистых частиц () в почвенном слое (в процентах от объема образца);

,(5)

где - параметр, определенный по величине наименьшей влагоемкости (, % от МСП) увлажняемого почвенного слоя (в процентах от массы сухой почвы);

,(6)

где - параметр, определенный по величине скорости напорного впитывания () поливной воды в почву (в мм/мин).

Для повышения точности определения значений параметра рекомендуется в расчетах использовать осредненную его величину, установленную по трем вышерассмотренным почвенным константам, то есть . О приемлемости зависимостей (4), (5) и (6) и предлагаемого подхода к определению расчетного значения параметра можно судить по приведенным в таблице 4 данным сопоставления значений с опытными значениями параметра .

Таблица 4 - Данные сопоставления расчетных и опытных значений «почвенного» параметра П для супесчаных и суглинистых почв

Сделанное обобщение экспериментальных исследований по определению допустимых технологических параметров дождевого орошения - допустимой интенсивности искусственного дождя и связанной с ней допустимой продолжительности непрерывного дождевого орошения - представлено системой экспериментальных зависимостей, полученных для широкого спектра условий орошаемого участка.

Предлагаемые зависимости позволяют получить расчетные значения допустимой интенсивности искусственного дождя для полива песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых почв в широком диапазоне уклонов поверхности земли на открытой и фитопокрытой орошаемой площади.

Установленная и математически описанная функциональная связь между допустимой интенсивностью искусственного дождя и допустимой продолжительностью дождевого полива позволяет с приемлемой для практики точностью (до 8 %) определить взаимоувязанное соотношение указанных технологических параметров для широкого спектра почвенных, топографических и фитозащитных условий орошаемых сельскохозяйственных угодий.

Список литературы

1. Городничев В.И. Совершенствование методики оценки качества работы дождевальных машин / В.И. Городничев // Экологические проблемы мелиорации: материалы междунар. конф. - М.: ВНИИГиМ, 2002. - С. 280-282.

2. Ерхов Н.С. К вопросу оценки дождевальных машин с учетом эрозионно-допустимых поливных норм / Н.С. Ерхов // Современные методы разработки и оценки технологии и технических средств полива: сб. - М.: ВНИИГиМ, 1986. - С. 30-38.

3. Ерхов Н.С. Методика определения водопроницаемости почв при поливе дождеванием / Н. С. Ерхов // Почвоведение. - 1974. - № 8. - С. 62-65.

4. Москвичев Ю.А. Методика определения скорости впитывания воды в почву при дождевании для расчета допустимой интенсивности / Ю.А. Москвичев, Н.С. Ерхов, М.И. Бычков // Сборник научных трудов ВНИИМиТП. - Коломна, 1973. - Т. IV. - С. 129-138.

5. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / А.А. Богушевский, А.И. Голованов, В.А. Кутергин, М.Г. Мамаев, Е.С. Марков, Н.Г. Раевская, П.И. Фокеев; под ред. Е.С. Маркова. - М.: Колос, 1981. - 375 с.

6. Снипич Ю.Ф. Совершенствование технических средств орошения дождеванием / Ю.Ф. Снипич. - Новочеркасск: «Геликон», 2007. - 110 с.

7. Фокин Б.П. Научные основы разработки современных технологий полива дождеванием и оптимизация основных параметров дождевальных машин / Б.П. Фокин.- Новочеркасск: Изд-во НГМА, 2001. - 95 с.

8. Механизация полива: справ. / Б.Г. Штепа [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1990. - 336 с.

9. Щедрин В.Н. Основные правила и положения эксплуатации мелиоративных систем и сооружений, проведения водоучета и производства эксплуатационных работ: моногр.: в 2 ч. / В.Н. Щедрин, С.М. Васильев, В.В. Слабунов. - Новочеркасск: Геликон, 2013.

10. Щедрин, В.Н. Словарь-справочник гидротехника-мелиоратора: терминологический слов.: в 2 ч. / А.В. Колганов, В.Н. Шкура, В.Н. Щедрин; под ред. В.Н. Щедрина. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014.

11. Абрамов Ф.Г. Определение водопроницаемости почв при дождевании / Ф.Г. Абрамов // Почвоведение. - 1954. - № 11. - С. 21-29.

12. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справ. / И.П. Айдаров [и др.]; под ред. Б.Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.

13. Мелиорация земель / А.Н. Голованов, И.П. Айдаров [и др.]; под ред. А.Н. Голованова. - М.: Колос, 2011. - 824 с.

Размещено на Allbest.ru