Определение средней влажности внутриконтурного капельно-увлажняемого почвенного пространства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение средней влажности внутриконтурного капельно-увлажняемого почвенного пространства

Целью исследования определена разработка методики расчета среднего и абсолютных значений зональных уровней влажности почвы в пределах контуров увлажнения, формирующихся в подкапельном почвенном пространстве при капельном поливе. Величина влажности почвы и ее зональное распределение в пределах локальных единичных контуров капельного увлажнения почвогрунтовой толщи в значительной степени влияют на условия водного, питательного и воздушного режимов функционирования корневой системы растений, а в конечном итоге на их развитие и продуктивность. Для управления почвенными условиями роста и функционирования корней растений необходимо прогнозирование влажностных показателей почвы в пределах зон ее промачивания для различных почвенных, фитопочвенных и технологических условий капельного полива. До настоящего времени такое прогнозирование осуществляется только для частных и экспериментально исследованных условий контурообразования, а общепринятая методика проведения соответствующих расчетов для оценки внутриконтурного распределения влажностных показателей увлажняемого почвенного пространства, несмотря на все возрастающую потребность в ней, отсутствует.

Основой для разработки методики являются данные авторских экспериментальных (натурных и лабораторных) исследований контуров капельного увлажнения почвы, выполненных для широкого спектра почвенных условий капельного полива. Измерения и фиксация геометрических и влажностных параметров контуров увлажнения почвы осуществлялись в соответствии с общепринятой методикой проведения исследований. В результате исследований получены экспериментальные зависимости для определения и разработана методика прогнозирования параметров контуров капельного увлажнения почвы, которая доведена до уровня программы для ЭВМ и позволяет с приемлемой для практического использования точностью прогнозировать очертание, геометрические и влажностные параметры зон капельного увлажнения подкапельного почвенного пространства.

Одним из определяющих показателей качества капельного полива являются геометрические и влажностные параметры формируемого в подкапельном почвенном пространстве контура увлажнения почвы. Размеры контуров увлажнения и характеристики распределения зон с разным уровнем влажности во внутриконтурном пространстве определяют параметры и эффективность функционирования корневой системы растений, интенсивность развития их надземной части, а также конструктивные решения технических средств капельного орошения [1]. Указанное обстоятельство предопределяет актуальность и востребованность разработки методики определения средней влажности почвы в зоне ее капельного увлажнения и прогнозирования распределения влажности почвы во внутриконтурном капельно-увлажняемом почвенном пространстве.

В процессе развития технологии капельного полива растений ее разработчики и исследователи обращали внимание на высокую степень неравномерности увлажненности почвы в пределах контуров влажности. Установлено, что в процессе капельного полива в подкапельном почвенном пространстве формируются области (зоны или «очаги») высокого насыщения почвы водой до уровня влажности, соответствующей полной влагоемкости (зоны избыточной влажности), и последующего по мере удаленности почвенного пространства от места капания уменьшения влажности до уровня наименьшей влагоемкости почвы (верхнего предела увлажнения), до значений влажности, равной (0,9-0,7) (оптимальной увлажненности ризосферы растений), и далее до уровня дополивной влажности почвы, достигающей влажности завядания.

Характерные особенности распределения уровней влажности в пределах капельно увлажняемой почвенной толщи приведены в работах ряда исследователей технологии капельного орошения [2-5 и др.]. Так, в работах А. С. Овчинникова, М. К. Гаджиева и др. [6, 7] отмечено, что характер и показатели распределения различных зон влажности (увлажненности) почвы изменяются как в процессе капельного полива, так и в постполивной период. В публикации А. В. Шуравилина, В. В. Бородычева и др. [8] в пределах контуров капельного увлажнения почвы выделены зоны с разным уровнем благоприятности влажности почвенного корнеобитаемого пространства для функционирования корневой системы растений. Известен ряд экспериментальных исследований внутриконтурного распределения уровней влажности почвы в контурах увлажнения, формируемых в определенных почвенных, фитопочвенных и технологических условиях капельного полива [9, 10 и др.].

Обстоятельный аналитический обзор публикаций в этой области приведен в работе В. Н. Шкуры, Д. Л. Обумахова, А. Н. Рыжакова [11], в которой, в частности, отмечено, что, несмотря на все большее внимание исследователей и пользователей систем капельного орошения к вопросам формирования контуров увлажнения почвы и управления влажностным режимом в пределах капельно увлажняемого почвенного пространства, методика количественной оценки распределения разновлажностных зон в пределах локальных (единичных) контуров до настоящего времени не разработана. На восполнение указанного дефицита научного обоснования (для дальнейшей оптимизации технологии капельного полива растений) направлено настоящее исследование, основной задачей которого поставлена разработка графоаналитического метода (методики) определения средней влажности почвы в контурах ее капельного увлажнения и прогнозирования распределения разноувлажненных (разновлажностных) зон во внутриконтурном почвенном пространстве.

Материалы и методы. Основой для разработки метода являются данные авторских экспериментальных (натурных и лабораторных) исследований контуров капельного увлажнения почвы, выполненных для широкого спектра почвенных условий проведения капельных поливов (таблица 1).

Таблица 1. Данные о почвенных условиях капельных поливов

Измерения и фиксация геометрических и влажностных параметров контуров увлажнения почвы осуществлялись в соответствии с общепринятой методикой проведения исследований [11, 12 и др.]. В результате обработки опытных данных по измерениям влажности почвы в подкапельном почвенном пространстве строились матрицы влажности, а по ним изоплеты с разными уровнями увлажненности почвы и контуры капельного увлажнения. Пример одного из контуров увлажнения приведен на рисунке 1.

Приведенный на рисунке 1 пример единичного контура увлажнения зафиксирован в почвенных условиях, которые характеризуются нижеследующими осредненными параметрами почвы в пределах увлажняемого при капельном поливе слоя: среднее по глубине увлажняемого почвенного слоя содержание физической глины = 54,3 % МСП, наименьшая влагоемкость почвы = 27,1 % МСП, средняя по увлажняемому слою плотность сложения почвы = 1,27 т/м3 при среднем значении дополивной влажности в метровом слое почвенной толщи = 17,6 % МСП.

Рисунок 1. Контур капельного увлажнения почвы с внутриконтурным расположением изоплет (№ 3 по таблице 1)

почвенный полив растение

Геометрические образы вертикальных профилей контуров капельного увлажнения почвы являлись первоосновой для получения экспериментальных зависимостей для определения их геометрических и влажностных параметров и последующей разработки методики их прогнозирования.

Результаты и обсуждение. Предлагаемая методика определения средней влажности почвы в пределах локальных (единичных) контуров увлажнения и распределения зон с различной степенью увлажненности подкапельного почвенного пространства предусматривает последовательное выполнение ряда нижеприведенных расчетно-графических операций.

1 Установление количественных значений показателей, характеризующих условия капельного полива и формирования контуров увлажнения подкапельного почвенного пространства: , % МСП; , т/м3; , % МСП; - величина дополивной влажности почвы, в долях от (или ); - глубина промачивания почвы, которая должна быть равна - глубине контура увлажнения, очерченной по изоплете с принятым или наблюдаемым уровнем дополивной влажности почвы, м.

2 Оценка соответствия расчетного значения глубины промачивания почвы , м, заданной агрономом глубине увлажнения подкапельного почвенного пространства для соответствующих условиям капельного полива почвенных и технологических параметров по зависимости:

,

где - поливная норма, рассчитанная на капельный микроводовыпуск (капельницу), обеспечивающая необходимое увлажнение почвы, м3/кап.;

- величина заданного послеполивного уровня влажности почвы, % МСП, которая чаще всего принимается на уровне (0,9-1,0) ;

- влажность почвы в капельно увлажняемом почвенном пространстве, соответствующая уровню наименьшей влагоемкости, % МСП.

При несоответствии расчетной глубины промачиваемого почвенного слоя, достигающей заглубленности почвенной толщи с влажностью , заданной величине ее увлажнения изменяют принятое значение поливной нормы, добиваясь равенства параметров .

3 Определение величины максимальной заглубленности изоплеты с уровнем влажности почвы, соответствующим , по зависимости вида:

4 Расчет значений максимальной заглубленности внутриконтурных изоплет , м, с уровнем влажности = 0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95 и 1,0 по нижеприведенной экспериментальной зависимости:

5 Определение максимального значения радиуса контура увлажнения , м, и «изоплетных» контуров , м, по зависимости:

. (3)

6 Для расчета вертикальных и горизонтальных координат ограничивающей контур линии (изоплеты с уровнем влажности ) величину глубины контура разбивают на 10 равных частей и получают 11 сечений контура со значениями их заглубленности м; ; ; …; , м (рисунок 2). При этом относительные значения вертикальных координат ограничивающих контур линий = 0,0; 0,1; 0,2; …; 1,0 (где - номер сечения). По аналогии с контуром увлажнения производится разбивка глубины (заглубленности под поверхность земли) разновлажностных «изоплетных» контуров, выделяемых в пределах капельно увлажняемого почвенного пространства (см. рисунок 1), и получают соответствующие им значения соотношений или (где - влажность изоплеты, в долях от ), являющиеся относительными вертикальными координатами границ контуров и внутриконтурных линий влажности.

Рисунок 2. Расчетная схема для определения вертикальных и горизонтальных координат ограничивающей контур капельного увлажнения почвы линии: 1 - капельница; 2 - оконтуривающая линия; 3 - ось капания; 4 - поверхность земли; - расстояния от поверхности земли до характерных сечений, разделяющих контур с влажностью ограничивающей изоплеты по вертикали на 10 равных расчетных слоев; - радиусы контура, соответствующие характерным сечениям «изоплетного» контура; 1 - 11 - точки на оси капания, соответствующие характерным сечениям контура увлажнения почвы

7 Для всех значений относительных вертикальных координат определяются соответствующие им (см. рисунок 2) относительные горизонтальные координаты ограничивающей контур линии и внутриконтурных линий влажности с использованием полиноминальной зависимости [13]:

(4)

где - радиус ограничивающей изоплетный контур линии (изоплеты), соответствующий горизонтальному сечению «изоплетного» контура , м;

- максимальный радиус «изоплетного» контура с определенной влажностью граничной линии , определяемый по соотношению (3);

- экспериментально установленный свободный член полинома:

- коэффициент при переменном члене полинома :

;

- коэффициент при переменном члене полинома :

, - постоянные коэффициенты при переменных членах полинома со значениями соотношений и соответственно:

8 Определяются абсолютные значения вертикальных и горизонтальных координат граничных линий для каждого сечения контура увлажнения и «изоплетных» контуров из их соотношений и для соответствующих значений и , и по их значениям строятся очертания контуров и внутриконтурных линий разного уровня влажности почвы во внутриконтурном пространстве [14].

9 Рассчитываются объемы почвенного пространства , м3, очерчиваемого граничной и внутриконтурными изоплетами, по зависимости:

10 Определяется объем почвенного пространства между двумя соседствующими изоплетами с разным уровнем влажности по зависимости:

; …; , (10)

где 1, 2, …, - порядковые номера изоплет контура капельного увлажнения, которые последовательно присваиваются им, начиная с ограничивающей контур капельного увлажнения изоплеты (№ 1) и заканчивая наиболее близкой к точке внесения поливной воды изоплетой с номером ;

- - объемы внутриконтурного пространства, заключенного между двумя соседними («соседствующими») изоплетами, м3;

- - объемы «изоплетных» контуров увлажнения почвы, ограниченных линиями влажности с порядковыми номерами 1 - , м3.

11 Для каждого межизоплетного пространства (почвенного пространства контра увлажнения, заключенного между соседними изоплетами) устанавливается величина средней влажности почвы:

; …; ,

где - - средняя влажность межизоплетного почвенного пространства с соответствующими объемами - , % МСП;

- - влажность изоплет с порядковыми номерами 1 - , % МСП.

12 Осредненная влажность в пределах капельно увлажняемого почвенного пространства , % МСП, определяется из соотношения:

, (11)

где - объем «изоплетного» контура, ограниченного линией с определенным уровнем влажности с порядковым номером , м3;

- влажность изоплеты с порядковым номером , % МСП.

Предлагаемая методика проведения расчетов, доведенная до уровня программы для ЭВМ, позволяет определить основные параметры контуров капельного увлажнения, включая осредненные по «изоплетным» контурам значения влажности в пределах каждого «изоплетного» контура и в зоне увлажнения всего подкапельного почвенного пространства. Результаты расчета, проведенного по контуру № 3 с почвенными характеристиками: = 54,3 % МСП, = 27,1 % МСП, = 1,27 т/м3; дополивной и постполивной влажностью почвы = 17,6 % МСП и = 25,7 % МСП; глубиной промачивания слоя почвы = 1,05 м, приведены ниже.

1 Требование по обеспечению заданной глубины увлажнения почвы = 1,05 м соблюдается при поливной норме = 0,0624 м3/кап.

2 Заглубленность (глубина) изоплеты с уровнем влажности , определенная по зависимости (1), составляет 0,939 м.

3 Результаты определения заглубленности и максимальных радиусов оконтуривающих линий разновлажностных «изоплетных» контуров увлажнения, рассчитанных по зависимостям (2) и (3), приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчетные значения глубин и радиусов разновлажностных «изоплетных» контуров

4 Очертание контура (для ) и расположение внутриконтурных изоплет с различным уровнем влажности получены по зависимости (4) при значениях = 0,607; = 1,877; = 2,483; = 0,254, определенных по экспериментальным зависимостям (5)-(8). Результаты расчета и последующего построения прогнозируемого очертания контура увлажнения и внутриконтурных изоплет (по условиям капельного полива, соответствующим контуру № 3) проиллюстрированы рисунком 3.

Рисунок 3. Прогнозируемый контур капельного увлажнения почвы

почвенный полив растение

Сопоставление опытного (по рисунку 1) и расчетного (прогнозного) (по рисунку 3) контуров увлажнения (их взаимным наложением) позволяет отметить качественное подобие их форм и подобие очертаний внутриконтурных линий с разным уровнем влажности почвы. О соответствии размеров опытных и прогнозируемых изоплетных контуров можно судить по результатам их взаимного совмещения, проиллюстрированного рисунком 4.

Качественное подобие опытного и расчетного контуров капельного увлажнения почвы и высокий уровень соответствия их линейных параметров (диаметров и глубин) позволяют сделать предположение о приемлемости прогнозного контура для определения влажностных показателей в пределах всего промачиваемого почвенного пространства.

Рисунок 4. Фактически измеренные и расчетные очертания разновлажностных «изоплетных» контуров капельного увлажнения почвы

5 Принимая за основу прогнозный контур увлажнения почвы, определяют значения объемов изоплетных контуров (по зависимости (9)) и объемов межизоплетного почвенного пространства (по зависимости (10)) (таблица 3).

6 С учетом данных таблицы 3 по зависимости (11) определяются осредненные значения влажности почвы в пределах заданных «изоплетных» контуров для различных уровней дополивной влажности (таблица 4).

Приведенные в таблице 4 данные позволяют оценить уровень влажности почвы во внутриконтурных («внутриизоплетных») увлажняемых зонах по ее осредненному значению в развитых контурах, сформированных в подкапельном почвенном пространстве при капельном поливе.

Таблица 3. Результаты расчета объемов «изоплетных» контуров и межизоплетного увлажняемого почвенного пространства в м3

Таблица 4. Осредненные значения влажности почвы в пределах разно-влажностных «изоплетных» контуров увлажнения почвы

Предложена методика расчета средневзвешенной влажности почвы внутриконтурного капельно-поливаемого почвенного пространства с различными уровнями влажности ограничивающих контуры изоплет. Методика доведена до уровня программы для ЭВМ и позволяет с приемлемой для практического использования точностью (±12 %) прогнозировать очертание, геометрические и влажностные параметры зон капельного увлажнения подкапельного почвенного пространства.

Список использованных источников

почвенный полив растение

1. Васильев, С. М. Технические средства капельного орошения: учеб. пособие / С. М. Васильев, Т. В. Коржова, В. Н. Шкура. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2016. - 197 с.

2. Олейник, А. М. Характер формирования контуров увлажнения почвы при ка-пельном орошении / А. М. Олейник, М. К. Гаджиев // Режимы орошения и водопотребление сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе: сб. науч. тр. / ЮжНИИГиМ. - Новочеркасск, 1984. - С. 129-133.

3. Ахмедов, А. Д. Расчет основных параметров влагопереноса при капельном орошении / А. Д. Ахмедов, А. Н. Темерев, Е. Ю. Галиуллина // Социально-экологические проблемы сельского и водного хозяйства. Ч. 1. Комплексное обустройство ландшафта: материалы междунар. науч.-практ. конф. - М.: МГУП, 2010. - С. 11-22.

4. Уржумова, Ю. С. Технологические и конструктивные элементы локального низконапорного орошения садов для условий южных черноземов Ростовской области: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Уржумова Юлия Сергеевна. - Новочеркасск, 2004. - 24 с.

5. Системы капельного орошения: учеб. пособие / М. Л. Ромащенко [и др.]; под ред. М. Л. Ромащенко. - Днепропетровск: Оксамит-текст, 2007. - 175 с.

6. 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.

7. Гаджиев, М. К. Особенности капельного орошения виноградников в условиях Дагестанской АССР: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.02 / Гаджиев Магомед Кебедович. - Новочеркасск, 1985. - 24 с.

Размещено на Allbest.ru