Внутриконтурное распределение влажности почвы при капельном орошении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внутриконтурное распределение влажности почвы при капельном орошении

А.С. Штанько, В.Н. Шкура, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Аннотация

Целью исследования является получение расчетных экспериментальных зависимостей и разработка методики определения параметров внутриконтурного распределения влажности почвы при капельном поливе. При проведении исследований и обобщений использовались апробированные методики, а также материалы и данные, приведенные в известных публикациях. При получении зависимостей для определения параметров внутриконтурного распределения влажности были проанализированы контуры капельного увлажнения, полученные авторами в различных условиях капельного полива. В результате корреляционно-регрессивного анализа фактических и аппроксимированных локальных контуров капельного увлажнения, зафиксированных авторами, были получены экспериментальные зависимости, описывающие в относительных координатах линейные размеры линий влажности (изоплет), отражающие внутриконтурное распределение влажности почвы. Факторами влияния на внутриконтурное распределение влажности, которые учитываются в данной методике, являются поливная норма, от величины которой зависят глубина и диаметр оконтуривающей изоплеты; содержание в почве глинистых частиц; наименьшая влагоемкость почвы; влажность оконтуривающей изоплеты.

С целью апробации полученных зависимостей для определения внутриконтурного распределения влажности почвы проведен расчет и сопоставление с данными по параметрам локальных контуров капельного увлажнения, зафиксированных другими авторами. Результаты сопоставления рассчитанных по предложенным экспериментальным зависимостям значений глубины и диаметра внутриконтурных изоплет с опытными данными, полученными в различных условиях капельного полива, показали допустимые отклонения, которые в среднем по контуру не превышают 12 %, что свидетельствует о приемлемости предложенных экспериментальных зависимостей и методики для практических расчетов.

Ключевые слова: капельное орошение, контур увлажнения, внутриконтурное пространство, дополивная влажность, изоплета, влажность почвы.

влажность почва капельный полив

Abstract

The purpose of study is to obtain calculated experimental dependencies and to develop methodology for determining the inner contour soil moisture distribution parameters by drip irrigation. The approved techniques as well as the materials and data given in well-known publications were used during research and generalization. When obtaining the dependencies for determining the inner contour moisture distribution parameters the drip humidification contours got by authors under various drip irrigation conditions were analyzed. As a result of the correlation-regression analysis of the actual and approximated local drip humidification contours recorded by authors, experimental dependences describing the linear sizes of moisture lines (isopleth) in relative coordinates that reflect the intrinsic distribution of soil moisture were obtained.

The factors influencing the inner contour moisture distribution taken into account in this technique are the following - the irrigation norm, as the depth and diameter of the contouring isopleth depend on its value; the content of clay particles in soil; the lowest moisture capacity of soil; the contouring isopleth moisture. To confirm the obtained dependences for determining the inner contour soil moisture distribution the calculation and comparison with data on local drip humidification contour parameters recorded by other authors were carried out. The results of comparison of the values of the depth and the diameter of the inner contour isopleths calculated by the proposed experimental dependences with data obtained under different drip irrigation conditions showed the allowable deviations which do not exceed 12 % in contour on average that indicates the acceptability of the proposed experimental dependences and the methodology for practical calculations.

Key words: drip irrigation, moisture contour, inner contour space, pre-irrigation moisture, isopleth, soil moisture.

Контур увлажнения почвы, формирующийся при капельном поливе сельскохозяйственных культур, является наиболее значимым элементом технологии капельного орошения, точность определения параметров которого оказывает значительное влияние на конструкцию и эффективность использования систем капельного орошения [1]. Исследования параметров контуров увлажнения почвы при капельном поливе с разной степенью глубины проработки и учета различных факторов влияния велись (изначально) со времени применения технологий капельного орошения и продолжаются в настоящее время. Исследованию параметров внутриконтурного распределения влажности почвы уделено внимание в работах И.П. Айдарова [2], Б.Б. Шумакова, А.А. Алексашенко, Н.И. Вдовина [3], А.И. Голованова, Е.В. Кузнецова [4], А.С. Овчинникова, В.С. Бочарникова, М.П. Мещерякова [5], В. В. Бородычёва, А.В. Шуравилина и др. [6], В.Н. Шкуры, Д.Л. Обумахова, А.Н. Рыжакова [7], А.Д. Ахмедова, Е.Ю. Галиуллиной [8], М.К. Гаджиева [9], О.Е. Ясониди [10], И.К. Кулинич [11], Ю.С. Уржумовой [12], О.Н. Карпенко [13], Н.О. Кохно [14], М.Ю. Храброва [15] и других специалистов. Анализ различных подходов к разрешению этой задачи приведен в монографии В.Н. Шкуры, Д.Л. Обумахова и А.Н. Рыжакова [7]. В известных предложениях и рекомендациях рассматривается только часть факторов влияния на внутриконтурное распределение влажности, а применимость отдельных расчетных зависимостей определяется условиями проведения экспериментальных исследований. Единая и общепринятая методика определения количественных характеристик распределения влажности почвы во внутриконтурном пространстве при капельном поливе отсутствует. В связи с этим целью данного исследования поставлено получение расчетных зависимостей и разработка методики определения параметров внутриконтурного распределения влажности почвы при капельном поливе.

Материалы и методы. При проведении исследований и обобщений использовались апробированные методики, а также материалы и данные, приведенные в известных публикациях. При получении зависимостей для определения параметров внутриконтурного распределения влажности почвы были проанализированы контуры капельного увлажнения, полученные авторами в различных условиях капельного полива. Примеры полученных экспериментальных данных приведены ниже.

Почвы - глинистые черноземы с содержанием глинистых частиц = 70,2 % от массы сухой почвы (МСП), наименьшей влагоемкостью (НВ) почвы = 32,0 % МСП при средней дополивной влажности почвогрунтовой толщи = 64,4 % НВ. В таблице 1 приведены два примера внутриконтурного распределения влажности почвы (по характерным изоплетам) при поливной норме = 22,0 (первый контур) и 32,0 л (второй контур) и расходах капельницы 4,0 и 6,0 л/ч соответственно. Приведенные в табл. 1 глубины и диаметры внутриконтурных и граничных (оконтуривающих) изоплет контуров капельного увлажнения соответствуют их максимальным значениям.

Данные измерений локальных контуров капельного увлажнения тяжелосуглинистых черноземов ( = (65 ± 3) % МСП; = (28,2 ± ± 1,8) % МСП; = 65,6 % НВ) приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Параметры контуров капельного увлажнения, сформировавшихся в глинистых почвах

Таблица 2 - Параметры контура капельного увлажнения, сформировавшегося в тяжелосуглинистых почвах

В таблице 3 приведены данные по определяющим линейным параметрам положения изоплет во внутриконтурном пространстве в условиях легких по гранулометрическому составу почв ( = 16,0 % МСП; = 12,0 % МСП).

Таблица 3 - Значения глубин и диаметров изоплет в локальном контуре капельного увлажнения легких почв

В результате корреляционно-регрессивного анализа фактических и аппроксимированных локальных контуров капельного увлажнения, зафиксированных авторами, были получены экспериментальные зависимости, описывающие в относительных координатах линейные размеры линий влажности (изоплет), отражающие внутриконтурное распределение влажности почвы в зависимости от:

- содержания в почве глинистых частиц , % МСП:

;(1)

- величины НВ почвы , % МСП:

,(2)

где и - глубина и диаметр определенной внутриконтурной изоплеты (линии почвенного профиля с одинаковой влажностью), см;

и - глубина и диаметр оконтуривающей изоплеты, соответствующей влажности 70 % НВ;

- содержание в почве глинистых частиц, % МСП;

- влажность определенной внутриконтурной изоплеты, % НВ;

- влажность изоплеты на уровне 70 % НВ;

- НВ почвы, % МСП.

Графическая интерпретация предложенных экспериментальных зависимостей (1) и (2) представлена на рисунках 1 и 2.

При получении этих эмпирических зависимостей были обработаны экспериментальные данные о параметрах локальных контуров капельного увлажнения почвы, которые были ограничены определенными диапазонами изменения определяющих функции аргументов. В связи с этим предложенные зависимости приемлемы для следующих граничных условий:

- влажность рассматриваемых внутриконтурных изоплет должна соответствовать диапазону от 70 до 100 % ;

- содержание в почве глинистых частиц - от 16 до 72 % МСП;

- НВ почвы - от 12 до 35 % МСП;

- влажность оконтуривающей изоплеты контура капельного увлажнения почвенного пространства принимается равной 70 % МСП.

Рисунок 1 - Графическая интерпретация функциональных связей

Рисунок 2 - Графическая интерпретация функциональных связей

По нашему мнению, надежно зафиксировать границу контура капельного увлажнения при проведении опытных исследований возможно по влажности, превышающей окружающий фон на 10 % НВ. При фиксировании контуров увлажнения влажность окружающей толщи почвогрунта составляла (60 ± 5) % НВ. В связи с этим для идентификации границы контура увлажнения была принята влажность , соответствующая 70 % НВ ().

По предложенным зависимостям (1) и (2) можно установить либо относительные величины глубины и диаметра внутриконтурных изоплет, либо их абсолютные значения при известных глубине и диаметре оконтуривающей линии с влажностью 70 % НВ (, ), которые можно определить по опытным данным либо расчетным методом в зависимости от поливной нормы и других факторов. Для каждого параметра (глубины или диаметра рассматриваемой изоплеты) предлагаются две зависимости, которые учитывают либо содержание глинистых частиц в почве, либо ее НВ. Таким образом, предложенные эмпирические зависимости учитывают следующие факторы влияния на внутриконтурное распределение влажности: поливную норму (через значения глубин и диаметров граничных изоплет и ), содержание в почве глинистых частиц , НВ почвы , влажность оконтуривающей изоплеты .

Расчет значений и производится в следующей последовательности. Для изоплеты с рассматриваемой величиной влажности рассчитываются ее относительные глубина и диаметр по зависимостям (1) и (2). Затем по зависимостям

,(3)

(4)

находится среднее арифметическое по каждой паре полученных значений, которые и будут являться расчетными значениями относительной глубины и диаметра изоплеты -й влажности. Далее по предварительно определенным значениям и вычисляются значения абсолютной глубины и диаметра рассматриваемой изоплеты . Если исходные данные для расчета содержат только одну из необходимых почвенных характеристик (содержание глинистых частиц или НВ почвы), то расчет ведется по соответствующей зависимости и полученное значение принимается окончательным, но точность его значения будет снижена.

Результаты и обсуждение. Сопоставление опытных значений, зафиксированных авторами и представленных в таблицах 1-3, с рассчитанными по зависимостям (1)-(4) проиллюстрировано рис. 3 и 4.

Из графических представлений опытных и расчетных значений относительных параметров внутриконтурных изоплет (по данным рис. 3 и 4) можно сделать заключение о приемлемости предложенных зависимостей (1)-(4) и методики для проведения практических расчетов.

Рисунок 3 - Сопоставление опытных значений с расчетными

Рисунок 4 - Сопоставление опытных значений с расчетными

С целью апробации полученных зависимостей для определения внутриконтурного распределения влажности почвы проведены расчет и сопоставление с данными по параметрам локальных контуров капельного увлажнения, зафиксированных другими авторами, результаты которых рассмотрены ниже.

М.К. Гаджиев [9] проводил исследования контура капельного увлажнения на темно-каштановой тяжелосуглинистой карбонатной почве со следующими показателями: = 46,3 % МСП, дополивная влажность = 68 % , средняя скорость впитывания в первый час = 0,026 дм/мин (15,6 см/ч), = 22,5 % МСП - при капельном поливе нормой = 112 л, выдаваемой капельницами с расходом = 4 л/ч. В результате натурных опытов им были зафиксированы параметры локального контура капельного увлажнения почвы, приведенные в таблице 4.

Результаты расчета глубин внутриконтурных изоплет по предложенным зависимостям и их сопоставление с опытными данными М. К. Гаджиева представлены в таблице 5 и на рисунке 5.

Таблица 4 - Геометрические параметры внутриконтурных изоплет контуров капельного увлажнения, зафиксированных М.К. Гаджиевым

Таблица 5 - Результаты расчета глубин внутриконтурных изоплет по зависимостям (1) и (3) и их сопоставление с опытными данными М. К. Гаджиева

Анализ полученных результатов показал максимальное отклонение расчетной глубины внутриконтурных изоплет от опытных данных М.К. Гаджиева по = 90 % , которое составило +7,58 см в абсолютной величине и 10,24 % от опытных данных.

Рисунок 5 - Расчетные значения глубин внутриконтурных изоплет и их сопоставление с опытными данными М.К. Гаджиева

Результаты расчета диаметров внутриконтурных изоплет по предложенным зависимостям и их сопоставление с опытными данными М.К. Гаджиева представлены в таблице 6 и на рисунке 6.

Таблица 6 - Результаты расчета диаметров внутриконтурных изоплет по зависимостям (2) и (4) и их сопоставление с опытными данными М.К. Гаджиева

Рисунок 6 - Расчетные значения диаметров внутриконтурных изоплет и их сопоставление с опытными данными М.К. Гаджиева

По диаметру внутриконтурных изоплет отклонение расчетных данных от опытных, зафиксированных М.К. Гаджиевым, не превышает 5 %.

Результаты определения геометрических параметров внутриконтурных изоплет по зависимостям (1)-(4) и сопоставления их с данными, зафиксированными И.К. Кулиничем [11], А.С. Овчинниковым, В.С. Бочарниковым, М.П. Мещеряковым [5] и Н.О. Кохно [14], представлены в таблицах 7-9.

Таблица 7 - Результаты расчета геометрических параметров внутриконтурных изоплет по зависимостям (1)-(4) и их сопоставление с опытными данными И.К. Кулинича

Таблица 8 - Результаты расчета геометрических параметров внутриконтурных изоплет по зависимостям (1)-(4) и их сопоставление с опытными данными А.С. Овчинникова, В.С. Бочарникова и М.П. Мещерякова

Сопоставление результатов расчета по зависимостям (1)-(4) с опытными данными, зафиксированными другими авторами и представленными в таблицах 5-9, показало, что в некоторых примерах сопоставления имеются отклонения расчетных данных от опытных, которые превышают 12 %.

Таблица 9 - Результаты расчета геометрических параметров внутриконтурных изоплет по зависимостям (1)-(4) и их сопоставление с опытными данными Н.О. Кохно

По всему массиву сопоставления выявлено четыре таких случая из 78 примеров сопоставления (один по данным И.К. Кулинича и три по данным А.С. Овчинникова, В.С. Бочарникова, М.П. Мещерякова). Так как остальные результаты сопоставления расчетных данных с опытными, полученными в различных условиях капельного полива, показали приемлемые отклонения, которые в среднем по контуру не превышают 12 %, считаем, что предложенные зависимости и методика определения геометрических параметров внутриконтурных изоплет в целом отражают процессы внутриконтурного распределения влажности почвы при капельном поливе и могут быть использованы для практических расчетов.

Исследованию параметров внутриконтурного распределения влажности уделено внимание в работах многих специалистов. Анализ различных подходов к разрешению этой задачи показал, что в известных предложениях и рекомендациях рассматривается только часть факторов влияния на внутриконтурное распределение влажности, а применимость отдельных расчетных зависимостей определяется условиями проведения экспериментальных исследований. Единая и общепринятая методика определения количественных характеристик распределения влажности почвы во внутриконтурном пространстве при капельном поливе отсутствует.

В результате исследований получены экспериментальные зависимости и разработана методика расчета геометрических параметров (глубины и диаметра) внутриконтурных изоплет определенной влажности. Факторами влияния на внутриконтурное распределение влажности, которые учитываются в данной методике, являются поливная норма, от величины которой зависят глубина и диаметр оконтуривающей изоплеты; содержание в почве глинистых частиц; НВ почвы; влажность оконтуривающей изоплеты.

Результаты сопоставления рассчитанных по предложенным экспериментальным зависимостям (1)-(4) значений глубины и диаметра внутриконтурных изоплет с опытными данными, полученными в различных условиях капельного полива авторами, а также М.К. Гаджиевым, И.К. Кулиничем, А.С. Овчинниковым, В.С. Бочарниковым, М.П. Мещеряковым и Н.О. Кохно, показали приемлемые отклонения, которые в среднем по контуру не превышают 12 %, что свидетельствует о приемлемости предложенных экспериментальных зависимостей (1)-(4) и методики для практических расчетов.

Список использованных источников

1. Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография: в 2 ч. / В.Н. Щедрин, А.В. Колганов, С.М. Васильев, А.А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013.

2. Айдаров И.П. Расчеты контуров увлажнения при капельном орошении / И.П. Айдаров, А.А. Алексашенко, Л.Ф. Пестов // Теория и практика комплексного мелиоративного регулирования. - М., 1983. - С. 15-22.

3. Шумаков Б.Б. Теоретические и экспериментальные исследования капельного орошения / Б.Б. Шумаков, А.А. Алексашенко, Н.И. Вдовин // Вестник сельскохозяйственной науки. - М., 1978. - № 7. - С. 82-92.

4. Голованов А.И. Основы капельного орошения / А.И. Голованов, Е.В. Кузнецов. - Краснодар: КГАУ, 1996. - 96 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. Капельное орошение сои на тяжелосуглинистых почвах / А.В. Шуравилин, В.В. Бородычёв, М.Н. Лытов, О.А. Белик // Вестник РУДН. Серия: Агрономия и животноводство. - 2009. - № 3. - С. 21-25.

7. Шкура В.Н. Капельное орошение яблони: монография / В.Н. Шкура, Д.Л. Обумахов, А.Н. Рыжаков; под ред. В.Н. Шкуры. - Новочеркасск: Лик, 2014. - 310 с.

8. 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(270). - С. 183-188.

9. Гаджиев М.К. Особенности капельного орошения виноградников в условиях Дагестанской АССР: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.02 / Гаджиев Магомед Кебедович. - Новочеркасск, 1984. - 24 с.

10. Ясониди О.Е. Водосбережение при орошении / О.Е. Ясониди; Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004. - 473 с.

11. Кулинич И.К. Капельное орошение виноградников на горных склонах в условиях Краснодарского края: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.02 / Кулинич Иван Константинович. - Волгоград, 1982. - 22 с.

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

13. Карпенко О.Н. Капельное орошение и агротехника возделывания роз в теплице / О.Н. Карпенко // Проблемы агротехники и мелиорации. Труды ЦКРНИИГиМ. - Днепропетровск, 1989. - С. 71.

14. Кохно Н.О. Орошение розы в теплице / Н.О. Кохно, М.В. Карпенко // Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства Юга России: сб. науч. ст. науч.-практ. конф. - Новочеркасск: НГМА, 2003. - С. 69-74.

15. Храбров М.Ю. Технология малообъемного орошения / М.Ю. Храбров // Мелиорация и водное хозяйство. - 2000. - № 4. - С. 30-32.

Размещено на Allbest.ru