Очертания контуров увлажнения, формируемых при капельном орошении

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск

Очертания контуров увлажнения, формируемых при капельном орошении

А. Н. Рыжаков

Целью исследования является определение и обоснование наиболее типичной формы локальных контуров увлажнения и получение зависимости, описывающей граничные и внутриконтурные изоплеты локальных контуров капельного увлажнения. При проведении исследований использовались материалы собственных изысканий и данные, приведенные в известных публикациях. В процессе аналитического исследования проводился анализ параметров контуров увлажнения, формируемых в различных почвенных и технико-технологических условиях при капельном поливе. При анализе линейных параметров контуров увлажнения (глубина и ширина) переводились в относительные величины, что позволяло сравнивать очертания и оценивать подобие как разновеликих контуров капельного увлажнения, так внутриконтурных изоплет с различным уровнем влажности. В результате анализа параметров (форм) контуров увлажнения, формируемых в различных почвенных и технико-технологических условиях при капельном поливе, установлено, что в качестве базового варианта может быть рассмотрена зависимость, предусматривающая описание очертания контуров наиболее типичной формы и положения внутриконтурных изоплет в относительных координатах при предварительно установленных значениях глубины и радиуса контуров и учитывающая константы, характеризующие почвенные и технологические условия формирования контуров увлажнения. В результате исследований получена экспериментальная зависимость, описывающая в относительных координатах очертания контура увлажнения, формируемого в почвогрунтовом пространстве при капельном поливе, позволяющая с приемлемой для практического применения точностью (12 %) определять границы, а в последующем площади и объемы зон увлажнения при капельном поливе.

Ключевые слова: капельное орошение, поливная норма, контур увлажнения, дополивная влажность, изоплета, очертание контура.

A. N. Ryzhakov, V. N. Shkura, A. S. Shtanko

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

MOISTURE CONTOURES PROFILE FORMED

BY DROP IRRIGATION

The aim of the study is to determine and substantiate the most typical form of local moisture contours and to obtain dependences describing the boundary and inner isopleths of local drip irrigation contours. In analytical study, the analysis of moisture contours parameters, formed under different soil and technical-technological conditions during drip irrigation was carried out. Analyzing the linear parameters of moisture contours (depth and width), they were transformed into relative values, which made it possible to compare profiles and assess similarities of various contours of drip humidification and the in-circuit isopleths with different moisture levels. As a result of analysis of parameters (forms) of moisture contours formed under different soil and technical-technological conditions during drip irrigation, it was found out that dependence providing a contour description of the most typical shape and position of in-circuit isopleths in relative coordinates at preset values of contour depth and radius and taking into account the constants characterizing soil and technological conditions of moisture contour formation can be taken as a base line. As a result of research, an experimental dependence describing the shape of the moisture contour formed in soil space during drip irrigation allowing to determine boundaries with an acceptable accuracy (12 % for practical use and subsequently the areas and volumes of moistening zones in relative coordinates during drip irrigation.

Key words: drip irrigation, irrigation norm, moisture contour, pre-irrigation moisture, isopleth, contour profile.

Одним из определяющих технологических параметров капельного полива является контур увлажнения, формируемый в почвогрунтовом пространстве при капельной подаче поливной воды из капельных микроводовыпусков. При выявлении значений (объемов) поливных норм, обеспечивающих увлажнение определенной (заданной) глубины почвенного профиля, необходимо знание объемов контуров увлажнения, формируемых в почвенном пространстве при заданных условиях капельного полива. Для расчета объемных показателей контуров необходимо знание положения (очертания) ограничивающих их поверхностей или изоплет. Получение соответствующих описывающих их зависимостей не может быть осуществлено без аппроксимации фактически фиксируемых по данным измерений контурных линий для различных уровней влажности почв во внутриконтурном и законтурном пространстве [1].

Исследования основных параметров локальных контуров увлажнения (глубины, ширины или диаметра, вертикальной и горизонтальной площади и объема контура) велись в течение продолжительного периода и ведутся до настоящего времени. Изначально рассматривалась «приплюснутая» (для «тяжелых» по гранулометрическому составу почв) и «вытянутая» (для «легких» почв) форма локальных контуров увлажнения. В соответствии с определениями А. А. Шевченко, на рисунке 1 приведены характерные для легких и тяжелых типов почв сечения единичных контуров капельного увлажнения почвенного профиля вертикальной плоскостью [2].

В последующем «типичные» формы контуров капельного увлажнения почв ассоциировались с известными формами и использовались такие их образные названия, как: «луковице-» или «яйцеобразная»; «яблоко-» и «грушевидная»; «каплевидная» и «колбовидная»; «шарообразная», «цилиндрическая», «эллипсовидная» и ряд других форм. Чаще всего рассматривались и качественно описывались характерные формы контуров отдельно для легких и тяжелых типов почв. При последующем изучении контуров увлажнения их очертания и формы аппроксимировались.

а) на песчаных почвах; б) на глинистых почвах;

(dк)расч - расчетный диаметр контура; (hк)расч - расчетная глубина контура;

(dк)max - максимальный диаметр контура; (hк)max - максимальная глубина контура;

1 - поверхность земли; 2 - капельница наземного расположения;

3 - переувлажненная зона; 4 - зона (область) расчетной влажности;

5 - зона недостаточного увлажнения; 6 - зона естественного увлажнения

Рисунок 1 - Схемы единичных контуров увлажнения, формируемых в почвенном слое при капельном орошении

Для построения аппроксимированных очертаний контуров увлажнения М. Ю. Храбровым предложена система расчетных зависимостей, позволяющих определить координаты «узловых» точек и по ним построить соответствующие контуры увлажнения [3]. М. Ю. Храбров предлагает аппроксимировать локальные контуры увлажнения, формируемые в тяжелых и легких по гранулометрическому составу почвах в соответствии со схемами, приведенными на рисунке 2.

При визуальном сравнении расчетных схем контуров увлажнения на рисунке 2 и характерных для легких и тяжелых типов почв сечений единичных контуров капельного увлажнения на рисунке 1 заметно их значительное несоответствие.

D1 - радиус шарового пояса увлажнения; H1 - высота шарового

пояса увлажнения; D2 и d2 - радиусы большого и малого контуров оснований; H2 - высота усеченного контура увлажнения

Рисунок 2 - Расчетные схемы контуров увлажнения при капельном поливе для тяжелых и средних (схема а) и легких (схема б) по гранулометрическому составу почв (по М. Ю. Храброву)

Известно предложение Д. Л. Обумахова и В. Н. Шкуры, позволяющее на стадии предварительных расчетов при известных значениях радиуса и глубины контура определить его очертание, площадь (по вертикали) и объем с использованием зависимости [1], имеющей вид полинома:

, (1)

где - радиус контура на глубине , считая от поверхности земли (от  = 0 до глубины контура - );

- радиус контура, определенный по максимальной удаленности границы увлажняемой зоны от оси капания по горизонтали.

К недостаткам данной зависимости относится отсутствие учета влияния на форму контуров параметров, характеризующих почвенные условия их формирования.

Кроме описанных выше, специалистами предложены и другие варианты аппроксимирующих контуры увлажнения форм граничных поверхностей или линий, но общепринятая схема аппроксимации и зависимость, описывающая положение оконтуривающей и внутриконтурных изоплет, отсутствуют. Основным недостатком существующих схем аппроксимации контуров капельного увлажнения также является отсутствие сведений по оценке точности их аппроксимации. В связи с этим, целью данного исследования является определение и обоснование наиболее типичной формы локальных контуров увлажнения и получение зависимости, описывающей граничные и внутриконтурные изоплеты локальных контуров капельного увлажнения.

Материалы и методы. При проведении исследований использовались материалы и данные, приведенные в известных публикациях [2-11]. В процессе исследований проводился анализ параметров контуров увлажнения, формируемых в различных почвенных и технико-технологических условиях при капельном поливе. Для проведения анализа параметры контуров увлажнения (глубина и ширина) переводились в относительные величины и , что позволяет сравнивать и оценивать подобие как разновеликих контуров капельного увлажнения, так и их изоплет с различной влажностью.

Результаты и обсуждение. Д. О. Завадским приведены схемы «грушевидных» или «колбообразных» контуров увлажнения, формируемых в выщелоченных малогумусных сверхмощных глинистых черноземах центральной агроклиматической зоны Краснодарского края (полученных при поливе почвы капельницей расходом в 4 л/ч в течение 7, 14 и 20 ч с выдачей поливных норм 28, 56 и 80 л соответственно при уровне дополивной влажности увлажняемого почвенного слоя, соответствующей 60 % от наименьшей влагоемкости почвы - = 0,6) [4]. Контуры очерчены по изоплетам с уровнем влажности = 0,75 по замерам, выполненным через 24-26 ч после завершения полива. Исследования проводились в условиях глинистых черноземов при взрыхленном верхнем почвенном слое. Относительные координаты очертания, определенные по первичным данным Д. О. Завадского [4], локальных контуров - и приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Осредненные значения относительных координат границ локальных контуров капельного увлажнения почвы

Известны исследования форм (очертания) контуров капельного увлажнения, выполненные В. С. Бочарниковым в различных почвенных условиях (при объеме глинистых частиц в почве = 21,2 % МСП; наименьшей влагоемкости почвы = 16,5 % МСП; объемной массе почвы = 1,27 г/см3 и  = 48,4 % МСП;  = 25,3 % МСП и  = 1,36 г/см3), для широкого диапазона технологических параметров (при поливной норме, измеряющейся в пределах от 95 до 345 м3/га или от 2,86 л до 25,8 л на один капельный микроводовыпуск) с замером контуров непосредственно после полива и спустя 12, 24, 72 и 120 ч по его окончании) [5]. Характерные показатели локальных контуров в координатной сетке , определенные по первичным данным В. С. Бочарникова, приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Графическое представление очертаний контуров увлажнения в относительных координатах , по первичным данным В. С. Бочарникова [6]

увлажнение орошение капельный

В результате обработки представленных на рисунке 3 данных было определено, что с точностью на уровне ±10 % очертания контуров могут быть описаны одной (осредняющей значения координат) зависимостью вида вне зависимости от исходных условий проведения экспериментальных исследований, что, с одной стороны, свидетельствует о ее универсальности, а с другой - о некоторой погрешности аппроксимации.

Известны полученные Ю. С. Уржумовой экспериментальные данные по измерению параметров и последующей аппроксимации локальных контуров увлажнения, формируемых в тяжелосуглинистых черноземах, характеризуемых значениями  = 58,0 % МСП,  = 27,0 % МСП,  = 1,3 г/см3 и  = 0,9 при поливе капельницами расходом = 3,2 л/ч и продолжительностью полива = 590 мин (поливной нормой  = 31,6 л) и  = 700 мин ( = 37,3 л) [6]. Очертание контуров увлажнения, в соответствии с этими данными, определено при нижеследующих значениях определяющих их параметров: глубинах контуров увлажнения - hкон,1 = 0,60 м и hкон,2 = 0,70 м при dкон,1 = 0,76 м и dкон,2 = 0,80 м соответственно. Выполненная нами камеральная обработка очертаний локальных контуров капельного полива в координатах проиллюстрирована рисунком 4.

В результате обработки приведенных на рисунке 4 данных был сделан вывод, что для вышеотмеченных условий проведения эксперимента опытные данные с точностью в ±12 % могут быть описаны одной аппроксимирующей их зависимостью, вне зависимости от значений поливной нормы в исследованном диапазоне ее измерения.

Неоднозначность качественных и особенно количественных показателей относительных координат очертаний локальных контуров проиллюстрирована данными измерений, выполненными О. Н. Карпенко [7]. Условия проведения эксперимента были следующими: почвенная толща представлена тепличным субстратом (почвогрунтом), сформированным на основе тяжелосуглинистой почвы в смеси с навозом в соотношении 4 : 1; полив осуществлялся капельницами расходом - 3,9; 7,2 и 10,1 л/ч при поливной норме, равной 4,53; 5,53 и 8,31 л; замер границ контуров производился непосредственно после полива и через 24, 48 и 120 ч после его окончания. Полученные экспериментальные данные по влажности почвогрунта были аппроксимированы О. Н. Карпенко до определенных форм контуров.

Рисунок 4 - Графические представления локальных контуров капельного увлажнения почвы в относительных координатах , полученного по первичным данным Ю. С. Уржумовой [7]

При обработке графических изображений, приведенных в исследовании О. Н. Карпенко [7] локальных контуров, в координатах и получены осредненные значения параметров контура увлажнения, измеренного и камерально обработанного нами по изоплетам для различной влажности почвы (таблицы 4 и 5).

Таблица 4 - Осредненные значения параметров контура увлажнения непосредственно по завершении полива

Таблица 5 - Осредненные значения параметров локального контура спустя 48 ч по завершении полива

Данные по таблицам 4 и 5 позволяют заключить нижеследующее:

- контуры увлажнения почвы, замеренные непосредственно после полива и спустя 48 ч (при прочих равных условиях), имеют сходную форму;

- величина уровня внутриконтурной влажности (положение изоплеты) не оказывает качественного влияния на форму контура увлажнения;

- на большей части пограничной линии контуров отклонение значений не превышает ±12 %, за исключением нижней части зоны, где они могут достигать 25 и более процентов от среднего уровня.

Кроме описанных выше, известны опытные данные по определению очертания локальных («очаговых») контуров капельного увлажнения почвы, приведенные в работах О. Е. Ясониди [8], А. Д. Ахмедова [9], В. И. Торбовского [10]. Обработанные нами примеры координат граничных линий контуров в координатах и приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Графики, характеризующие очертания локальных («очаговых») контуров увлажнения почвенного пространства в относительных координатах по первичным данным:

а) А. Д. Ахмедова, б) В. И. Торбовского, в) О. Е. Ясониди

Отмеченное выше позволяет сделать вывод о возможности использования при расчетах параметров контуров увлажнения почвы соотношения и его осредненных значений с точностью определения их координат, составляющей ±12 % от среднего положения граничных линий контуров и (или) положения внутриконтурных изоплет.

Полученные нами результаты исследований контуров капельного увлажнения позволили определить экспериментальную зависимость, описывающую в относительных координатах - = очертания контура увлажнения, формируемого в почвогрунтовом пространстве (при капельном поливе) в виде полинома:

. (2)

В зависимости (2) , , , и - эмпирические коэффициенты. - коэффициент (свободный член полинома), характеризующий величину - при  = 0, по значению которого определяется радиус контура на поверхности земли , при известном (установленном) значении радиуса контура - , количественное значение которого определяется из соотношения - , где - количество глинистых частиц (физической глины ) в процентах от массы сухой почвы (% МСП); - осредненная («объемная») масса почвенного образца в ненарушенном состоянии в пределах рассматриваемого слоя почвы в г/см3; - эмпирический коэффициент полинома при ; - эмпирический коэффициент полинома при ; - коэффициент при соответствующих членах полинома (то есть при и соответственно).

Приведенная зависимость (с точностью ±12 %) приемлема для проведения расчетов очертаний единичных контуров капельного увлажнения почвы, формирующихся в супесчаных, суглинистых и глинистых почвах в нижеприведенных диапазонах изменения содержания глинистых частиц -  = 11,5-77,5 % МСП и наименьшей влагоемкости - = 11,0-32,0 % МСП при поливе капельницей с расходом -  = 1,25-6,0 л/ч с продолжительностью полива от одного до семи часов для контуров, наблюдаемых (замеряемых) непосредственно после полива ( = 1 ч) и через 24, 48 и 72 ч по завершению полива для тяжелых почв, через 12 и 36 ч для легких по гранулометрическому составу почв.

О приемлемости предлагаемой зависимости для практического использования можно судить по данным сопоставления расчетных по зависимости (1) значений с опытными значениями, полученными А. Д. Ахмедовым [9], М. К. Гаджиевым [11], В. И. Торбовским [10], Ю. С. Уржумовой [6], В. С. Бочарниковым [5], Д. О. Завадским [4], О. Е. Ясониди [8], в различных почвенных и технологических условиях капельного полива сельскохозяйственных угодий. Характерные примеры результатов сопоставления опытных и расчетных значений относительных координат очертания локальных контуров капельного увлажнения почвогрунтового пространства приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Данные сопоставления расчетных и опытных значений относительных координат очертания контуров увлажнения

Приведенные в таблице 6 данные сопоставления расчета и опытных измерений (по различным авторам) отображают и подтверждают обоснованность предложения по описанию очертания локальных контуров капельного увлажнения в виде соотношения по эмпирической зависимости (2), позволяющей с приемлемой для практического применения точностью (±12 %) определять границы площади и объемы зон увлажнения при капельном поливе.

Выводы

1 Специалистами предложены различные варианты аппроксимирующих контуры увлажнения форм граничных поверхностей или линий, но общепринятая схема аппроксимации и зависимость, описывающая положение оконтуривающей и внутриконтурных изоплет с указанием точности аппроксимации отсутствует. Указанные обстоятельства актуализируют задачу исследований и определения обоснованной и наиболее типичной формы локальных контуров увлажнения и получения соответствующей зависимости, описывающей (очерчивающей) контуры поверхностей (линий), а также характерных линий внутриконтурного положения изолиний с определенным уровнем влажности (изоплет).

2 В результате проведенного анализа параметров контуров увлажнения, формируемых в различных почвенных и технико-технологических условиях при капельном поливе, установлено, что в качестве базового варианта может быть рассмотрена зависимость вида , предусматривающая описание очертания контуров наиболее типичной формы и положения внутриконтурных изоплет в относительных координатах при предварительно установленных значениях глубины и радиуса  контуров и учитывающая константы, характеризующие почвенные и технологические условия формирования контуров увлажнения.

3 В результате проведенных исследований получена экспериментальная зависимость (2), описывающая в относительных координатах -  =  очертания контура увлажнения, формируемого в почвогрунтовом пространстве (при капельном поливе), позволяющая с приемлемой для практического применения точностью (±12 %) определять границы, площади и объемы зон увлажнения при капельном поливе. Приемлемость предлагаемой зависимости для практического использования подтверждается результатами сопоставления рассчитанных по данной зависимости значений с опытными их значениями, полученными другими специалистами в различных почвенных и технологических условиях капельного полива сельскохозяйственных угодий.

Список использованных источников

1 Шкура, В. Н. Расчетный метод определения параметров контура увлажнения при подземно-капельном орошении / В. Н. Шкура, Д. Л. Обумахов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2014. - № 4(16). - С. 25-36. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec294-field6.pdf.

2 Шевченко, А. А. Капельное орошение садов / А. А. Шевченко, Е. Ф. Кушниренко, М. М. Зобенко // Гидротехника и мелиорация. - 1977. - № 2. - С. 51-55.

3 Храбров, М. Ю. Технология малообъемного орошения / М. Ю. Храбров //

Мелиорация и водное хозяйство. - 2000. - № 4. - С. 30-32.

4 Завадский, Д. О. Капельное орошение молодого яблоневого сада и виноградников в условиях центральной зоны Краснодарского края: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Завадский Дмитрий Олегович. - Новочеркасск, 1991. - 28 с.

5 Овчинников, А. С. Методика расчета и обоснование параметров контура увлажнения в условиях открытого и закрытого грунта / А. С. Овчинников, В. С. Бочарников, М. П. Мещеряков // Природообустройство. - 2012. - № 4. - С. 10-14.

6 Уржумова, Ю. С. Конструкция и гидравлический расчет водовыпуска системы локального низконапорного орошения садов и виноградников // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения: сб. науч. тр. по материалам междунар. конф. и науч. семинаров в 2003 г. - В 2 ч. - Новочеркасск, 2003. - Ч. 1. - С. 201-207.

7 Карпенко, О. Н. Капельное орошение роз в теплицах: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Карпенко Ольга Николаевна. - Новочеркасск, 1989. - 22 с.

8 Ясониди, О. Е. Водосбережение при орошении / О. Е. Ясониди. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004. - 473 с.

9 Ахмедов, А. Д. Контуры увлажнения почвы при капельном орошении / А. Д. Ахмедов, Е. Ю. Галиуллина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 3. - С. 183-188.

10 Торбовский, В. И. Режим и техника капельного орошения малины: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Торбовский Василий Иванович. - Новочеркасск, 1992. - 24 с.

Размещено на Allbest.ru