К проблеме автоматизации процесса расчетов эвапотранспирации риса

Размещено на http://www.allbest.ru/

К проблеме автоматизации процесса расчетов эвапотранспирации риса

Цель исследований - составить алгоритм и получить необходимые зависимости и уравнения, позволяющие разработать программу для электронно-вычислительной машины (ЭВМ) и автоматизировать процессы расчета эвапотранспирации риса, в т. ч. испарения с водной поверхности рисового чека и транспирации риса. В процессе работы использованы данные, которые были получены в ходе проведения полевых экспериментальных исследований на опытных участках объектов-представителей по возделыванию риса (ООО «Маныч-Агро», Багаевский район, Ростовская область) и исследований в лизиметрах, установленных на полигоне Российского научно-исследовательского института проблем мелиорации. Алгоритмы расчетов эвапотранспирации рисового поля были разработаны и реализованы в программной среде Microsoft Office Excel. Зависимости получены методом регрессионного анализа.

В результате исследований выявлена динамика среднесуточной транспирации риса от всходов до созревания в зависимости от суммы среднесуточных температур, определен биоклиматический коэффициент транспирации для риса в связи с суммой температур нарастающим итогом, установлен поправочный коэффициент на испарение с водной поверхности чека, занятого рисом. Представленные выше данные позволили разработать алгоритм расчета эвапотранспирации рисового поля, включающего расчет испаряемости с водной поверхности рисового чека и транспирации риса с использованием информационной базы данных метеопараметров. Алгоритм расчета эвапотранспирации рисового поля дает основание для разработки программы для ЭВМ, что позволит автоматизировать процессы расчета эвапотранспирации риса, в т. ч. испарения с водной поверхности рисового чека и транспирации риса.

На водопотребление сельскохозяйственных культур оказывает влияние множество биотических и абиотических факторов, поэтому суммарное водопотребление подвержено большим колебаниям как по фазам роста и развития растений, так и от воздействия климатических и почвенных условий, мелиоративного состояния орошаемых земель.

На сегодняшний день существуют методы определения суммарного водопотребления на основе многолетних полевых и лабораторных исследований и расчетные методы [1-7]. Наиболее точными являются полевые исследования с инструментальным измерением всех статей поступления и расхода влаги. Как отмечено в книге «Мелиорация и водное хозяйство» (1999), «…суммарное водопотребление - функция влажности почвы, физиологических свойств растений, метеорологических условий и уровня агротехники» [8]. В связи с этим нормы водопотребления устанавливаются для конкретных условий территории на основании многолетних полевых и лабораторных исследований по известным общепринятым методикам [9-12]. Современные расчетные методы определения водопотребления сельскохозяйственных растений основаны на решении уравнения водного баланса корнеобитаемого слоя почвы [8, 13]:

,

где - оросительная норма, мм;

- суммарное водопотребление за период вегетации, мм;

- количество полезных осадков, мм;

- запас почвенной влаги в корнеобитаемом слое почвы в период посева, мм;

- то же в период уборки урожая, мм;

- количество воды, используемой растениями за счет подпитывания грунтовыми водами, мм.

Наиболее распространенными методами определения эвапотранспирации за рубежом являются методы Х. Л. Пенмана, Л. Тюрка, Х. Ф. Бейли - В. Д. Криддлапа и др. [8, 14, 15]. Исследования ученых ЮжНИИГиМ показали, что наиболее распространенными методами, применяемыми в России, являются методы С. М. Алпатьева, Н. Н. Иванова, И. А. Шарова, Д. А. Штойко, А. Р. Константинова, Н. В. Данильченко и др. [16-21]. Сравнение результатов расчетов и данных, полученных инструментальными измерениями в полевых исследованиях, показало, что наибольшую их сходимость можно получить при использовании в расчетах региональных биоклиматических коэффициентов, полученных на основе многолетних исследований c учетом агрометеопараметров [22-24].

При определении эвапотранспирации расчетными методами за основу рекомендуется принимать «…испаряемость, скорректированную коэффициентами, учитывающими значение растений и климата в испарении влаги орошаемым полем» [8].

Для планирования водоподачи на орошаемое поле помимо агроклиматических показателей конкретных территорий необходимо знать закономерности водопотребления сельскохозяйственных культур в полевых севооборотах. Вопросами установления оптимального режима орошения и водопотребления сельскохозяйственных культур занималось большинство НИИ и вузов сельскохозяйственного направления, имеющих мелиоративные системы и орошаемые или осушаемые земли, в т. ч. и ЮжНИИГиМ [25]. Поэтому в научной литературе имеется множество данных об особенностях водопотребления сельскохозяйственных культур в полевых севооборотах, полученных на основании многолетних исследований в различных агроклиматических условиях России [11, 26, 27]. На основе обобщения и анализа этих данных в 2017 г. ФГБНУ «ВНИИ «Радуга» и ФГБНУ «РосНИИПМ» разработаны и утверждены «Укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур Центрального, Приволжского, Уральского, Сибирского, Южного и Северо-Кавказского федеральных округов» [28]. Однако культура риса в этом нормативном документе отсутствует в связи с тем, что рисовые оросительные системы (РОС) имеют свои функциональные особенности как по устройству, так и по эксплуатации. И, главное, в большинстве случаев рис в России возделывается в чеках и поливается эта культура способом затопления. В связи с большой трудоемкостью и сложностью проведения воднобалансовых исследований на РОС, посвященных изучению норм водопотребности риса и водоотведения с оросительных систем, такие исследования проводились чаще фрагментарно с частичным учетом водного баланса, это не позволяет в достаточной мере обобщить данные и разработать востребованные производством нормативы водопотребности и водоотведения.

Поливной режим риса имеет свои особенности, связанные: с биологией риса - повышенной потребностью растений в воде, а в некоторые фазы роста и развития - в воздухе, например в период всходов и кущения; агроклиматическими условиями; почвенно-мелиоративным состоянием земель РОС; наличием водных ресурсов и др.

Основной и самой сложной задачей в воднобалансовых исследованиях является учет воды, расходуемой растениями риса на транспирацию и испарение с водной поверхности. Другие составляющие водного баланса можно учитывать инструментально или рассчитать на основе знания показателей почвенно-мелиоративного состояния земель РОС.

В ФГБНУ «РосНИИПМ» начаты работы по обобщению данных исследований, ранее проводимых в ЮжНИИГиМ [29], и исследований 2018 г., посвященных изучению отдельных элементов водного баланса рисового поля, для разработки нормативов водопотребления риса и водоотведения с РОС. Исследования проводились в ООО «Маныч-Агро» Багаевского района Ростовской области и в лизиметрах на опытном полигоне РосНИИПМ. Основные результаты исследования особенностей эвапотранспирации приведены ранее [30].

Цель исследований - составить алгоритм и получить необходимые зависимости и уравнения, позволяющие разработать программу для ЭВМ и автоматизировать процессы расчета эвапотранспирации риса и испарения с водной поверхности рисового чека.

Методы и материалы. Для разработки алгоритма автоматизированного расчета эвапотранспирации использованы данные, которые были получены в ходе проведения полевых экспериментальных исследований на опытных участках объектов-представителей по возделыванию риса (ООО «Маныч-Агро», Багаевский район, Ростовская область) и исследований в лизиметрах, установленных на полигоне ФГБНУ «РосНИИПМ». Алгоритмы расчетов эвапотранспирации рисового поля были разработаны и реализованы в программной среде Microsoft Office Excel. Зависимости получены методом регрессионного анализа.

Результаты исследований. В отличие от полевых культур, у которых эвапотранспирация складывается из суммы показателей транспирации и испарения с поверхности почвы, причем влажность на поверхности почвы может изменяться от 60 до 100 % НВ, у риса при затоплении чеков водой испарение происходит с водной поверхности и в значительно больших размерах, чем из сухого верхнего слоя почвы в полевых условиях.

Изучение научной литературы и собственные исследования показали, что более точные данные о транспирации риса и испаряемости с водной поверхности можно получить при многолетних исследованиях с инструментальным измерением этих показателей. Однако для автоматизации процессов расчета транспирации и испарения необходимо данные, полученные путем инструментальных измерений и представленные в табличной форме, перевести на язык математики, т. е. получить достоверные зависимости, и на их основе разработать алгоритм расчета эвапотранспирации рисового поля (рисунок 1).

На основании алгоритма в последующем разработали программу для ЭВМ для расчета эвапотранспирации риса и составляющих элементов: транспирации риса и испаряемости с водной поверхности чека.

При разработке алгоритма расчета эвапотранспирации риса нами для вычисления испаряемости (потенциальной эвапотранспирации) использовалась модифицированная профессором Н. В. Данильченко формула Н. Н. Иванова [8], которая приняла следующий вид, мм:

,

где - испаряемость (потенциальная эвапотранспирация), мм;

- энергетический фактор испарения, мм/мбар;

- дефицит влажности воздуха, мбар;

- функция, учитывающая влияние скорости ветра;

- поправочный коэффициент на испарение с водной поверхности чека с растущим рисом.

Энергетический (температурный) фактор , учитывающий нелинейность связи и при изменении температуры воздуха, определяем по зависимости:

,

где - температурный режим, °С;

- температура воздуха, °С;

- упругость насыщенного пара, соответствующая этой температуре, мбар.

Рисунок 1. Алгоритм расчета эвапотранспирации рисового поля

рис автоматизация водопотребление

Упругость насыщенного пара, соответствующая этой температуре, рассчитывалась по полученной нами кривой напряжения водяных паров в миллиметрах ртутного столба в зависимости от температуры воздуха. Далее для соблюдения единства измерений в уравнениях и для возможности расчетов было получено уравнение для перевода упругости напряжения водяных паров в зависимости от температуры воздуха из миллиметров ртутного столба в миллибары (рисунок 2), мбар:

Рисунок 2. Кривая упругости насыщенного пара в зависимости от температуры воздуха, в миллибарах

Дефицит влажности воздуха (упругости насыщения) , мбар, при отсутствии данных наблюдений определяется по уравнению [8]:

,

где - относительная влажность воздуха, %.

Ветровая функция определяется по уравнению:

,

где - скорость ветра на высоте 2 м от поверхности земли, м/с.

Для перехода от флюгерной скорости ветра на наблюдаемой высоте к расчетной скорости ветра на высоте 2 м получена кривая коэффициента перевода (рисунок 3) и следующее уравнение, м/с:

.

Рисунок 3. Уравнение для перевода скорости ветра от флюгерной (наблюдаемой) к расчетной на высоте 2 м

Особенностью суммарного испарения с рисового чека является то, что для получения всходов риса приходится производить напуск воды в чек, необходимый для первоначального насыщения почвы. Этот объем воды учитывается в составе оросительной нормы, и расчет испарения необходимо начинать с момента первого заполнения чека, а транспирации - с момента получения полных всходов через 15-20 дней после посева в зависимости от температурного режима.

Для оценки динамики эвапотранспирации риса необходимо знать закономерности изменения показателей транспирации растений в зависимости от фазы роста и периода их развития. Для расчета транспирации нами проводились инструментальные исследования в лизиметрах на опытном полигоне ФГБНУ «РосНИИПМ» и в полевых условиях на Нижне-Манычской РОС.

Изучение динамики водопотребления риса показало, что среднесуточная транспирация риса возрастает с 6,2 мм/сут в фазе полных всходов до 13,5 мм/сут в период выметывания и цветения и снижается к фазе созревания до 4,2 мм/сут (рисунок 4).

Рисунок 4. Динамика среднесуточной транспирации риса от всходов до созревания, лизиметры, 2018 г.

Кривая изменения транспирации риса описывается уравнением (полиномом второй степени) при высоком коэффициенте аппроксимации = 0,72.

Для характеристики транспирации показательны кривые нарастания суммарной транспирации риса от всходов до созревания, полученные после обработки данных исследований в лизиметрах и в полевых условиях (рисунок 5).

Однако для разработки программы для ЭВМ больший интерес вызывают математически обработанные данные о транспирации во взаимосвязи с такими метеопараметрами, как дефицит влажности воздуха и температурный режим. Наиболее практичными для производственных структур являются связи между транспирацией и суммами среднесуточных температур нарастающим итогом от всходов. Обработка данных исследований позволила получить кривые и уравнения, отражающие эти связи (рисунок 6).

Рисунок 5. Динамика нарастания суммарной транспирации растений риса от всходов до созревания по данным наблюдений в лизиметрах и в полевых условиях, ООО «Маныч-Агро», сорт Флагман, 2018 г.

Рисунок 6. Динамика суммарной транспирации риса в зависимости от суммы температур нарастающим итогом от всходов, 2018 г.

Из данных рисунка 6 видно, что кривые, полученные в результате обработки данных исследований в производственных условиях в ООО «Маныч-Агро» и в лизиметрах на опытном полигоне ФГБНУ «РосНИИПМ», имеют высокие показатели аппроксимации с коэффициентом = 0,97…0,99, это говорит об их тесной взаимосвязи. При разработке программы для ЭВМ необходимо получение биоклиматических коэффициентов водопотребления риса. В практике большое распространение получили два метода. Это метод А. М. и С. М. Алпатьевых, основанный на использовании упрощенной формулы Н. Н. Иванова, мм: (где - коэффициент пропорциональности, равный 0,61), и метод Г. К. Льгова, который основан на использовании биоклиматического коэффициента , полученного по результатам полевых исследований в конкретных агроклиматических условиях во взаимосвязи с суммой среднесуточных температур нарастающим итогом от всходов (рисунок 7).

Рисунок 7. Биоклиматические коэффициенты транспирации риса во взаимосвязи с суммой температур нарастающим итогом от всходов, полученные при исследованиях в лизиметрах на опытном участке научного полигона РосНИИПМ, 2018 г.

Суммарное испарение определятся по формуле, мм:

,

где - биоклиматический коэффициент транспирации, мм/сут;

- сумма среднесуточных температур нарастающим итогом от всходов, °С.

Биоклиматический коэффициент транспирации , мм/град, для риса во взаимосвязи с суммой температур нарастающим итогом от всходов определяется по уравнению, мм/град:

.

Метод Г. К. Льгова является более практичным, так как достаточно знать сумму среднесуточных температур нарастающим итогом для расчета эвапотранспирации и корректировки оросительных норм в процессе вегетации риса.

Наблюдения за изменением соотношения доли транспирации и испарения с водной поверхности чека по периодам роста показали, что с появлением всходов и покрытием водной поверхности растениями риса испарение с водной поверхности начинает снижаться с 4,4 до 1,5 мм/сут при созревании, а транспирация по периодам роста постепенно возрастает от 2,3 мм/сут в фазе кущения до 13,3 мм/сут в фазе цветения, а затем снижается до 2,7 мм/сут (рисунок 8).

При расчете эвапотранспирации риса нами получено уравнение, позволяющее внести поправки на испаряемость с открытой водной поверхности с учетом влияния проективного покрытия надземными частями растений риса водной поверхности чека (рисунок 9).

Поправочный коэффициент на испарение с водной поверхности чека, занятого рисом, во взаимосвязи с суммой температур от всходов выражается уравнением с высоким коэффициентом аппроксимации = 0,95.

Рисунок 8. Составляющие эвапотранспирации риса по периодам роста, лизиметры, 2018 г.

Рисунок 9. Поправочные коэффициенты, уточняющие испарение с открытой водной поверхности и с водной поверхности чека, занятого посевами риса (данные получены в лизиметрах на опытном участке научного полигона РосНИИПМ, 2018 г.)

На основании алгоритма была разработана программа для ЭВМ «Расчет эвапотранспирации риса в рисовых оросительных системах» [31].

Выводы

рис автоматизация водопотребление

1. Проведенные полевые исследования позволили выявить динамику среднесуточной транспирации риса от всходов до созревания в зависимости от суммы среднесуточных температур, определить биоклиматический коэффициент транспирации риса в связи с суммой температур нарастающим итогом от всходов, установить поправочный коэффициент на испарение с водной поверхности чека, занятого рисом.

2. Представленные выше данные позволили разработать алгоритм и программу для ЭВМ для расчета эвапотранспирации риса в рисовых оросительных системах, включающие расчет испаряемости с водной поверхности рисового чека и транспирации риса с использованием информационной базы данных метеопараметров.

3. Программа для ЭВМ позволит автоматизировать процессы расчета эвапотранспирации риса, в т. ч. испарения с водной поверхности рисового чека и транспирации риса, и корректировать объемы водоподачи на рисовые оросительные системы.

Список использованных источников

рис автоматизация водопотребление

1. Алпатьев, А. М. Влагообороты в природе и их преобразования / А. М. Алпатьев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 323 с.

2. Костяков, А. Н. Основы мелиорации: учеб. пособие / А. Н. Костяков. - 3-е изд., испр. и доп. - М.; Л.: Гос. изд-во колхоз. и совхоз. лит., 1933. - 887 с.

3. Харченко, С. И. Гидрология орошаемых земель / С. И. Харченко. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 75 с.

4. Льгов, Г. К. Орошаемое земледелие / Г. К. Льгов. - М.: Колос, 1979. - 191 с.

5. Циприс, Д. Б. Расчет водопотребления по метеопараметрам / Д. Б. Циприс, Э. Г. Евтушенко // Гидротехника и мелиорация. - 1980. - № 9. - С. 40-42.

6. Остапчик, В. П. Информационно-советующая система управления орошением / В. П. Остапчик. - Киев: Урожай, 1989. - 248 с.

7. Водопотребление и качество воды при орошении сельскохозяйственных культур / А. Ю. Черемисинов, С. П. Бурлакин, И. П. Землянухин, А. А. Черемисинов, С. А. Плотников // Агроэкологический вестник: сборник. - Воронеж: Воронеж. ГАУ, 2012. - С. 53-58.

Размещено на Allbest.ru