Способ графоаналитического построения очертания контуров капельного увлажнения почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ графоаналитического построения очертания контуров капельного увлажнения почв

А.С. Штанько

Целью исследования является разработка методики определения геометрических параметров и основанного на ней способа графоаналитического построения очертания контура капельного увлажнения почв. Объектом исследования являются контуры увлажнения, формирующиеся в почвенном пространстве при капельном поливе. Предметом исследования является положение граничной линии (изоплеты влажности), очерчивающей увлажняемую при капельном поливе зону - контур увлажнения. С учетом того, что при проектировании и эксплуатации систем капельного орошения задаваемым параметром зоны капельного увлажнения почвы является ее глубина, возникла рабочая гипотеза о целесообразности определения необходимых для построения очертания контуров геометрических параметров в привязке к их глубине. В процессе исследований путем аналитической обработки опытных значений геометрических параметров ряда контуров увлажнения, сформированных в почвах с различными значениями почвенных характеристик, получены экспериментальные зависимости, позволяющие при заданной (определенной) глубине зоны капельного увлажнения почвенного профиля определить значения приповерхностного и максимального диаметров контура увлажнения, а также глубину расположения максимального диаметра контура увлажнения. При определении геометрических параметров контуров капельного увлажнения учитываются такие почвенные показатели, как содержание в почве глинистых частиц, наименьшая влагоемкость почвы и средняя скорость напорного впитывания воды в почву за первый час полива. В результате исследований разработан способ графоаналитического построения очертания контуров капельного увлажнения почв, который предусматривает построение ограничивающей (оконтуривающей) контур увлажнения почвы линии по значениям их геометрических параметров, полученных по предложенным зависимостям.

Ключевые слова: капельное орошение, контур увлажнения, геометрические параметры контура, почвенные параметры, очертание контура, оконтуривающая изоплета.

The purpose of the research is to develop a methodology for determining geometric parameters and a method of graphoanalytical design of moisture contour of drip humidfication based on it. The target of research is the moisture contours formed in soil space during drip irrigation. The subject of research is the position of the boundary line (moisture isopleth), which delineates the moistening zone during drip irrigation - the moisture contour. Considering that by design and operation of drip irrigation systems, the drip moistening zone depth is the preset parameter, the working hypothesis on viability of determining the geometric parameters necessary for contours configurations design in relation to their depth has arisen. In the course of research the experimental dependences allowing to determine the values of the subsurface and maximum diameters of moisture contour at a given (certain) depth of drip irrigation moistening of soil profile, as well as the depth of the moisture contour maximum diameter were obtained by analytical processing of the experimental values of the geometric parameters of a number of moisture contours formed in soils with different soil characteristics. When determining the geometric parameters of drip irrigation contours, such soil indices as the content of clay particles in soil, the minimum moisture-holding capacity and the average rate of pressure water absorption into soil for the first hour of irrigation are taken into account. As a result of the research, a method of graphoanalytical design of moisture contours at drip irrigation, which involves the design of a limiting (contouring) soil moisture contour by the values of their geometric parameters obtained according to the proposed dependencies has been developed. капельное увлажнение почва контур

Key words: drip irrigation, moisture contour, contour geometric parameters, soil parameters, contour outline, contouring isopleth.

В реальных почвенных и технологических условиях капельного полива в подкапельном почвогрунтовом пространстве формируются контуры увлажнения различных размеров и очертания. В зависимости от условий их формирования фиксируются как симметричные, так и асимметричные формы контуров, а очерчивающие их внешние границы изоплеты могут иметь разнообразное криволинейное очертание. Примеры очертаний контуров капельного увлажнения, формируемых в тяжелосуглинистой почве, приведены на рисунке 1 [1].

- глубина контура, см; - расстояние от оси увлажнения, см; цифры на изоплетах - влажность изоплеты в процентах от наименьшей влагоемкости (НВ)

Рисунок 1 - Примеры контуров капельного увлажнения тяжелосуглинистых почв

Реальные контуры увлажнения преимущественно имеют в разной степени асимметричное (относительно вертикали капания) очертание. При этом их граничные изоплеты могут иметь искривления, что затрудняет математическое описание положения оконтуривающих зону увлажнения изоплет. Для частичной нейтрализации вышеуказанных трудностей при камерально-аналитической обработке полученных опытных очертаний контуров специалисты в области капельной технологии орошения растений прибегали к их аппроксимации до уровня получения определенных типичных форм контуров, характерных для условий исследований и приемлемых для анализа и описания. Примеры аппроксимированных очертаний (форм) контуров, принятых (выбранных) различными исследователями, приведены на рисунке 2, где по их данным:

- на рисунке 2а - очертания контура и внутриконтурных изоплет, сформированных в среднесуглинистых почвах, влажность приведена в процентах от НВ, - фактическая влажность почвы [2];

- на рисунке 2б - очертания контура и внутриконтурных изоплет, сформированных в тяжелосуглинистых почвах, влажность приведена в долях от НВ [3];

- на рисунке 2в - очертания контуров, сформированных при капельном орошении легкосупесчаных почв расходом 1,5 л/ч при продолжительности полива: 1 - 30 мин, 2 - 60 мин, 3 - 90 мин, 4 - 120 мин, 5 - 150 мин, 6 - 180 мин [4];

- на рисунке 2г - очертания контуров, сформированных в среднеглинистой светло-каштановой почве при подаче поливной нормы, приведенной в литрах [5];

- на рисунке 2д - очертания аппроксимированного контура увлажнения, сформированного на легких почвах [6];

- на рисунке 2е - очертания аппроксимированного контура увлажнения, сформированного на тяжелых и средних почвах [7];

- на рисунке 2ж - очертания контуров, сформированных в выщелоченных малогумусных сверхмощных глинистых черноземах центральной агроклиматической зоны Краснодарского края при расходе капельницы 4 л/ч в течение: 1 - 7 ч, 2 - 14 ч, 3 - 20 ч [6];

- на рисунке 2з - очертания контуров, сформированных в среднесуглинистой почве при подаче поливной нормы 34,3 л/м2 сразу после полива и через 12, 24, 72 и 120 ч, - время после окончания полива, ч [8];

- на рисунке 2и - форма «типичного» контура увлажнения для тяжелосуглинистых почв с иллюстрацией внутриконтурного распределения влажности, - интервал влажности почвы (% от НВ) в соответствующей зоне, над чертой - после полива, под чертой - перед поливом [9];

- на рисунке 2к - очертания контуров с разной продолжительностью их формирования и последующей постполивной трансформации в почвогрунтовом слое при поливной норме 8,31 л/м2 и расходе капельницы 3,9 л/ч [10];

- на рисунке 2л - очертания контура и внутриконтурных изоплет, сформированных в супесчаных почвогрунтах, влажность (цифры возле изоплет) приведена в процентах от массы сухой почвы [11];

- на рисунке 2м - очертания контура и внутриконтурных изоплет, сформированных в тяжелосуглинистых почвогрунтах, влажность (цифры возле изоплет) приведена в процентах от массы сухой почвы [12].

Кроме этого, известны и другие примеры аппроксимации контуров капельного увлажнения, приведенные в работах Б. Б. Шумакова [13], Е. П. Борового [14], Б. Г. Штепы [15], А. С. Овчинникова [16], М. К. Гаджиева [17], В. И. Торбовского [18] и др. Известны приведенные в труде В. Н. Шкуры и др. [1] расчетные зависимости, описывающие очертания граничных линий контуров капельного увлажнения почвы при известных значениях глубины и диаметра контура. Последние могут быть определены по зависимостям, указанным в работе А. С. Штанько и др. [19]. Между тем в реальной практике капельного орошения исходно заданной величиной принимается глубина слоя увлажнения почвы, а диаметр формируемого контура увлажнения подлежит определению.

а б в

г д е

ж з и

к л м

а - по О. Е. Ясониди [2]; б - по Л. Г. Дудниковой [3];
в - по А. В. Шуравилину [4]; г - по А. Д. Ахмедову и др. [5];
д, е - по М. Ю. Храброву [6, 7]; ж - по Д. О. Завадскому [8];
з - по В. С. Бочарникову и др. [9]; и - по В. В. Бородычёву [10];
к - по О. Н. Карпенко [11]; л, м - по М. И. Ромащенко [12]

Рисунок 2 - Примеры форм аппроксимации контуров
капельного увлажнения почв

В связи с этим целью настоящего исследования является разработка методики определения геометрических параметров и основанного на ней способа графоаналитического построения очертания контура капельного увлажнения почвогрунтового пространства при определенной (заданной) глубине слоя увлажнения почвы.

Материалы и методы. В качестве геометрических параметров, характеризующих контур капельного увлажнения почвы, рассматриваются глубина контура увлажнения , м; расчетный диаметр контура , соответствующий его максимальной величине, м; диаметр контура на уровне
5-сантиметрового заглубления в почвенный слой, или «поверхностный диаметр» , м; величина заглубления горизонтальной плоскости , соответствующей положению максимального диаметра контура увлажнения, м. С учетом того, что исходным параметром, характеризующим контур увлажнения, является его глубина , все его линейные размеры могут быть привязаны к этому параметру, что позволит определить их относительные значения ; ; ; . Принятая схема очертания контура капельного увлажнения почвенного пространства с указанием расположения вышеуказанных характеризующих его геометрических параметров приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Расчетная схема очертания контура капельного увлажнения почвы

Разработка методики определения геометрических параметров контуров капельного увлажнения базируется на данных экспериментальных исследований ряда контуров, сформированных в почвогрунтовой толще в различных почвенных условиях Ростовской области при капельном поливе.

В качестве определяющего фактора влияния рассмотрены такие характеристики почв, как содержание глинистых частиц в почве в процентах от массы сухой почвы , % МСП; наименьшая влагоемкость , % МСП, и средняя скорость впитывания воды в почву за первый час полива , мм/мин. Технологические и влажностные факторы по причине предварительно установленного малого их влияния на изучаемые соотношения в предлагаемых методике расчета и способе не учитывались.

Результаты и обсуждение. В соответствии с опытными данными значения соотношения для различных значений параметров , и могут быть определены по нижеприведенным экспериментальным зависимостям:

, (1)

, (2)

. (3)

В зависимостях (1)-(3) параметр характеризует отношение максимального диаметра к глубине контура , определенное по почвенному параметру , а параметры и - соответственно по значениям почвенных параметров и . Графические представления вышеприведенных зависимостей и опытных значений исследуемых параметров приведены на рисунках 4-6.

Предложенные зависимости при известной или заданной глубине увлажнения и известных значениях , и позволяют определить величину максимального диаметра контура увлажнения .

Рисунок 4 - График зависимости соотношения от

Рисунок 5 - График зависимости соотношения от

Рисунок 6 - График зависимости соотношения от

С учетом отсутствия абсолютной связи между значениями , и и имеющего место отличия в значениях (в пределах ±12 %, а иногда и более), определенных даже по одному контуру, но в разных вертикальных плоскостях, которые проходят через ось капания, более точные (средние) их значения рекомендуется определять по соотношению:

. (4)

Обоснованность использования зависимости (4) проиллюстрирована сопоставлением расчетных и осредненных экспериментально установленных значений по опытным контурам увлажнения почвы (таблица 1).

Таблица 1 - Данные сопоставления расчетных значений по зависимостям (1)-(4) с осредненными опытными значениями по исследованным контурам капельного увлажнения почв

Судя по данным таблицы 1, отклонения рассчитанных по формуле (4) от осредненных опытных величин не превышают 7 %, тогда как отклонения расчетных значений , полученных по зависимостям (1)-(3), от осредненных опытных значений могут достигать 12 % и более.

Для практических целей и для построения очертания контура капельного увлажнения почв определенное значение имеет величина заглубления сечения контура горизонтальной плоскостью, соответствующей его максимальному расширению. Аналитическая обработка опытных контуров капельного увлажнения почв позволила получить нижеприведенные экспериментальные зависимости для определения соотношения как функции почвенных параметров , и :

, (5)

, (6)

, (7)

. (8)

Графические образы (представления) зависимостей (5)-(7) и соответствующие им опытные данные по рассматриваемым соотношениям параметров контуров капельного увлажнения почвогрунтового пространства приведены на рисунках 7-9.

Рисунок 7 - График зависимости соотношения от

Рисунок 8 - График зависимости соотношения от

Рисунок 9 - График зависимости соотношения от

О степени соответствия расчета по зависимостям (5)-(8) и экспериментально полученных измерений параметров контуров можно судить по данным, приведенным в таблице 2 и проиллюстрированным на рисунке 10.

Таблица 2 - Данные сопоставления расчетных и опытных значений

Для построения очертания контура капельного увлажнения необходимо установить величину его диаметра в приповерхностном слое (на условно принятой глубине 5 см от поверхности земли).

Рисунок 10 - Данные сопоставления расчета по зависимостям (5)-(8) с опытными данными

По отношению к глубине контура величина приповерхностного диаметра может быть определена по нижеприведенным зависимостям:

, (9)

, (10)

, (11)

. (12)

Характер функциональных связей по зависимостям (9)-(11) и соответствие их опытным данным проиллюстрировано рисунками 11-13.

О степени соответствия расчетных значений осредненным опытным значениям можно судить по данным, приведенным в таблице 3.

Рисунок 11 - График зависимости соотношения от

Рисунок 12 - График зависимости соотношения от

Рисунок 13 - График зависимости соотношения от

Таблица 3 - Данные сопоставления расчетных и опытных значений относительного параметра

Приведенные в таблице 3 данные позволяют сделать заключение о практической приемлемости зависимости (12) для определения диаметра приповерхностного контура капельного увлажнения почвогрунтового пространства при заданной глубине увлажняемого слоя почвы для исследованного диапазона значений почвенных параметров , и .

Определение значений , и для конкретных условий формирования контура капельного увлажнения почвы позволяет построить ограничивающие (оконтуривающие) зону увлажнения почвогрунтового пространства линии при капельном поливе. До построения контура увлажнения для определенных значений почвенных показателей , и и заданной величины увлажнения почвенного слоя - глубины контура - по соответствующим зависимостям определяются значения , и и соответствующие им значения радиусов и . Полученные значения на соответствующем уровне их расположения в принятом масштабе откладываются от вертикальной оси контура, а полученные точки соединяются (аппроксимируются) в соответствии с рисунком 14.

аб

а - прямолинейная аппроксимация оконтуривающей поверхности;
б - криволинейная аппроксимация оконтуривающей поверхности

Рисунок 14 - Схемы аппроксимации контуров
капельного увлажнения почвы

Выводы

1 При проектировании и эксплуатации систем капельного орошения необходимо устанавливать очертания контуров увлажнения, формирующихся в подкапельном почвенном пространстве. С учетом того, что задаваемым параметром зоны увлажнения является ее глубина, возникла гипотеза о целесообразности определения необходимых для построения очертания контуров геометрических параметров в привязке к их глубине. Выдвинутая гипотеза может быть реализована при наличии установленных функциональных связей между поверхностным и максимальным диаметрами с его глубиной, что и было определено задачей исследования.

2 В результате анализа параметров и 10 экспериментально зафиксированных контуров капельного увлажнения, полученных в различных почвенных условиях, установлены экспериментальные зависимости, позволяющие определить значения необходимых для построения линий внешнего очертания контуров капельного увлажнения почвы, и предложены схемы и способ их графического представления.

Список использованных источников

1 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.

2 Ясониди, О. Е. Капельное орошение: монография / О. Е. Ясониди; Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 322 с.

3 Дудникова, Л. Г. Орошение плодового сада на Северном Кавказе: монография / Л. Г. Дудникова, М. В. Карпенко, А. А. Панкарикова; Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. - Новочеркасск: НГМА, 2008. - 261 с.

4 Капельное орошение сои на тяжелосуглинистых почвах / А. В. Шуравилин, В. В. Бородычёв, М. Н. Лытов, О. А. Белин // Вестник РУДН. Серия: Агрономия и животноводство. - 2009. - № 3. - С. 21-26.

5 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.

6 Храбров, М. Ю. Расчет распространения влаги в почве при капельном орошении / М. Ю. Храбров // Мелиорация и водное хозяйство. - 1999. - № 4. - С. 34-35.

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

8 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.

9 Бочарников, В. С. Научно-экспериментальное обоснование повышения эффективности технологических средств локального орошения в овощеводстве открытого и закрытого грунта: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 06.01.02 / Бочарников Виктор Сергеевич. - Волгоград, 2016. - 39 с.

10 Бородычёв, В. В. Современные технологии капельного орошения овощных культур / В. В. Бородычёв. - Волгоград: Радуга, 2010. - 241 с.

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

12 Ромащенко, М. И. Совершенствование технологии и технических средств микроорошения сельскохозяйственных культур: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 06.01.02 / Ромащенко Михаил Иванович. - М., 1995. - 28 с.

13 Шумаков, Б. Б. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справочник / Б. Б. Шумаков. - М.: Колос, 1999. - 492 с.

14 Боровой, Е. П. Аналитический подход к определению параметров контуров увлажнения почвы на основе решения уравнения влагопереноса / Е. П. Боровой, Е. А. Ветренко // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2009. - № 4(16). - С. 52-57.

15 Штепа, Б. Г. Механизация полива / Б. Г. Штепа, В. Ф. Носенко, Н. В. Винникова. - М.: Агропромиздат, 1990. - 303 с.

16 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.

17 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.

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

19 Штанько, А. С. Геометрические параметры локальных контуров капельного увлажнения почвы / А. С. Штанько, В. Н. Шкура // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2017. - № 2(66). - С. 214-218.

Размещено на Allbest.ru