CC BY
12МЕЛИОРАЦИЯ, ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО И АГРОФИЗИКА
Научная статья УДК 631.674.6
doi: 10.31774/2712-9357-2023-13-2-55-74
Геометрия контуров капельного увлажнения почв
Виктор Николаевич Шкура1, Андрей Сергеевич Штанько2
1 2Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
1VNShkura@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4639-6448 2shtanko.77@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6699-5245
Аннотация. Цель: установление зависимостей и разработка методики расчета геометрических размеров и построения очертания локальных контуров влажности, формирующихся в почвенном пространстве при капельном поливе. Материалы и методы. Фактологическую основу разработки составили данные натурных (полевых) измерений контуров капельно-увлажняемого почвенного пространства и их камеральной обработки. Исследования выполнены на экспериментальных площадках с различным почвенным покровом, представленным степными, сухостепными и степно-пустынными типами почв: черноземами (обыкновенными и южными) и каштановыми почвами с широким спектром гранулометрического состава, водно-физических свойств и с различным уровнем дополивной влажности, при поливе капельницами производительностью от 1,0 до 6,0 л/ч. Результаты и обсуждение. При проведении исследования в качестве определяющих процесс контурообразования и геометрию контуров рассмотрены: почвенные условия, характеризуемые содержанием физической глины, наименьшей влаго-емкостью, плотностью сложения и уровнем дополивной влажности; технологические параметры, определяемые уровнем постполивной влажности, заданной глубиной увлажнения почвенной толщи, расходом капельных микроводовыпусков и объемом во-доподачи. Получены эмпирические зависимости, позволяющие определить линейные размеры, величину увлажняемой площади и объемы контуров увлажнения по заданным значениям: содержания физической глины в почве в пределах 18,0-77,0 % массы сухой почвы (МСП), наименьшей влагоемкости в диапазоне 16,5-32 % МСП, глубины прома-чивания от 0,5 до 1,2 м, дополивной влажности от 60 до 80 % от уровня наименьшей влагоемкости, расхода капельницы от 1,0 до 6,0 л/ч. Вывод. Получена система эмпирических зависимостей, и разработаны методики прогнозирования внешнего очертания, линейных, площадных и объемных размеров локальных контуров влажности, формирующихся в почвенном пространстве при капельном поливе.
Ключевые слова: капельное орошение, капельный полив, контур влажности, геометрия контуров влажности, размер контуров влажности, форма контуров влажности
Для цитирования: Шкура В. Н., Штанько А. С. Геометрия контуров капельного увлажнения почв // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13, № 2. С. 55-74. https://doi.org/ 10.31774/2712-9357-2023-13-2-55-74.
LAND RECLAMATION, WATER MANAGEMENT AND AGROPHYSICS Original article
Geometry of soil drip irrigation contours Viktor N. Shkura1, Andrey S. Shtanko2
1 2Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation
© Шкура В. Н., Штанько А. С., 2023
1VNShkura@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4639-6448 2shtanko.77@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6699-5245
Abstract. Purpose: to determine dependencies and develop a methodology for calculating the geometric dimensions and constructing the outline of local moisture contours formed in the soil space during drip irrigation. Materials and methods. The factual basis of the development was the data of full-scale (field) measurements of the contours of the drip-moistened soil space and their office processing. The studies were carried out on experimental sites with different soil cover, represented by steppe, dry steppe and steppe-desert soil types: chernozems (ordinary and southern) and chestnut soils with a wide range of granulometric texture, water-physical properties and with different levels of pre-irrigation moisture, when irrigated with emitters productivity from 1,0 to 6,0 l/h. Results and discussion. During the study, the following things were considered as determining the process of contour formation and the contour geometry: soil conditions characterized by the physical clay content, the minimum water capacity, bulk density and the level of pre-irrigation moisture; technological parameters determined by the level of post-irrigation moisture, the given depth of soil moisture, the flow rate of drip micro-water outlets and the volume of water supply. Empirical dependences that allow determination of the linear dimensions, the wetted area dimensions and the volumes of moisture contours are obtained according to the given values: the physical clay content in soil within 18.0-77.0 % of the dry soil mass (DSM), the lowest moisture capacity in the range 16.5-32 % DSM, wetting depth from 0.5 to 1.2 m, additional irrigation moisture from 60 to 80 % of the level of the minimum water capacity, emitter flow from 1.0 to 6.0 l/h. Conclusion. A system of empirical dependencies has been obtained, and methods for predicting the external shape, linear, areal and volumetric dimensions of local moisture contours formed in the soil space during drip irrigation have been developed.
Keywords: drip irrigation, drip watering, moisture contour, moisture contour geometry, moisture dimension, moisture contour shape
For citation: Shkura V. N., Shtanko A. S. Geometry of soil drip irrigation contours. Land Reclamation and Hydraulic Engineering. 2023;13(2):55-74. (In Russ.). https://doi.org/ 10.31774/2712-9357-2023-13-2-55-74.
Введение. Результатом и измерителем качества капельного полива являются формирующиеся в почвенном пространстве локальные зоны увлажненной почвы, условно называемые «контурами увлажнения» или «контурами влажности». Геометрические параметры контуров влажности в соответствии с данными рисунка 1 определяются: очертанием контура, глубиной увлажнения почвенного профиля («глубиной контура» ^кон), максимальным диаметром («диаметром контура» йкон), средним диаметром контура (йкон) , диаметром зоны увлажненной почвы на поверхности земли (йкон)пов, площадью горизонтальной проекции контура юкон и его объемом .
а b c
1 - поверхность почвы; 2 - капельница; 3 - граница контура влажности; 4 - ось капания; hl — кп - расстояния от поверхности земли до характерных сечений, разделяющих контур по вертикали на 10 равных расчетных слоев; r1 — r10 - радиусы контура, соответствующие характерным его сечениям; 1-11 - точки на оси капания, соответствующие характерным сечениям контура увлажнения почвы
1 - soil surface; 2 - emitter; 3 - moisture contour boundary; 4 - drip axis; h1 — h11 -distances from soil surface to the characteristic cross-sections dividing the contour vertically into 10 equal calculation layers; r1 — r10 are the contour radii corresponding to its characteristic cross-sections; 1-11 - points on the drip axis, corresponding to the characteristic cross-sections of soil moisture contour
Рисунок 1 - Общий вид (а), профиль (b) и расчетная схема (с) локального контура влажности, формирующегося в почвенном пространстве при капельном поливе
Figure 1 - General view (a), profile (b) and design scheme (с) of local moisture contour formed in soil space during drip irrigation
Процесс контурообразования (формирования контуров) и его геометрия зависят от ряда факторов и условий, основными из которых являются почвенные условия (физико-химические характеристики почвы) в пределах увлажняемого почвенного пространства и технологические параметры капельного полива. Учитывая важность геометрических и влажностных параметров контуров для теории и практики капельного орошения, их изучению уделяли особое внимание. Теоретическим и экспериментальным исследованиям геометрии контуров влажности посвящены работы А. Д. Ах-медова и Е. Ю. Галиуллиной [1], О. З. Зубаирова и А. О. Жатканбаевой [2], М. Н. Лытова [3], А. Ф. Рогачева и Е. В. Мелиховой [4], А. С. Овчиннико-
ва [5], А. М. Олейника и М. К. Гаджиева [6], Р. В. Прокопца [7], Н. А. Пронь-ко [8], М. Ю. Храброва [9], В. Н. Шкуры и А. С. Штанько [10, 11], О. Е. Ясо-ниди [12] и других исследователей [13, 14]. Анализ известных разработок в области геометрии контуров позволяет отметить отсутствие должного и необходимого для практики обобщения отдельных частных предложений. Указанное обстоятельство предопределено относительно узким диапазоном условий проведения отдельных исследований и широким спектром факторов влияния на процесс контурообразования. На восполнение дефицита рекомендаций по определению (прогнозированию) параметров контуров влажности, формируемых в почвенном пространстве при капельном поливе, направлено настоящее исследование.
Материалы и методы. Фактологическую основу разработки составили материалы натурных измерений контуров капельно-увлажненного почвенного пространства, выполненных в широком спектре условий капельного полива. Исследования выполнялись на 12 опытных участках в различных природно-климатических зонах Ростовской области с почвенным покровом, представленным южными и обыкновенными черноземами, а также темно- и светло-каштановыми почвами, являющимися типичными для степной, су-хостепной и степно-пустынной природно-климатических зон. Черноземы по гранулометрическому составу представлены супесчаными, легко-, средне- и тяжелосуглинистыми, легко- и среднеглинистыми видами с мощностью пе-регнойно-аккумулятивного горизонта 80-100 см (преимущественно обыкновенные) и от 40 до 80 см (южные) при содержании гумуса менее 4,0 %. Каштаноземы представлены темно-каштановыми тяжелосуглинистыми и легкоглинистыми среднемощными образованиями, каштановыми суглинистыми среднемощными видами и светло-каштановыми маломощными суглинистыми почвами.
В процессе полевых исследований на разных типах и видах почв фиксировались контуры (зоны) увлажненной почвы при различных уров-
нях дополивной влажности при подаче поливной воды разнорасходными надземно-расположенными капельницами. При проведении измерений параметров капельно-увлажняемого почвенного пространства использовались общепринятые технологии. В процессе камеральной обработки опытного материала устанавливались очертания контуров влажности, являющихся основой для анализа и обобщений. Примеры профилей контуров, зафиксированных на южных супесчаных и среднесуглинистых черноземах при подаче поливной воды капельницами с расходом дкап = 2,0 л/ч в объеме NKan = 20 л/кап., проиллюстрированы на рисунке 2.
Примеры локальных контуров капельного увлажнения почвы, зафиксированных в одинаковых почвенных условиях - тяжелосуглинистом черноземе с характеристиками: содержанием физической глины W = 52,0 % от массы сухой почвы (% МСП), наименьшей влагоемкостью WHB = 26,0 % МСП, плотностью сложения уоб = 1,31 т/м3 и дополивной влажностью Рд/п = 0,68 ■ WHB = 17,7 % МСП, при подаче поливной воды капельницами с расходами , равными 2 и 6 л/кап., приведены на рисунке 3.
Примеры профилей контуров, сформировавшихся в тяжелосуглинистом среднемощном черноземе (Wr = 53,5 % МСП, WHB = 26,0 % МСП, уоб = 1,33 т/м3) при поливе капельницей с расходом 2,0 л/ч, разных уровнях дополивной влажности (изменяющейся от 0,56 до 0,78 Рнв) увлажняемого почвенного слоя, проиллюстрированы рисунком 4.
Зафиксированные в разных почвенных и технологических условиях проведения капельного полива локальные контуры влажности почвенного пространства позволили выделить и количественно оценить влияние почвенных и технологических факторов на процесс контурообразования, форму и геометрические параметры контуров.
'-Е0Н'М 0,3 0,2 0,1
I
0,0 0,1 0,2 0,3
Гкон>М
On
Л i \
Л 9 \
0 1 I
Л A \
Л ^ /
0 f< 1
U,D 0 7
V,/ Л 8
Л Q
•1 n
■i
V \он , M
''Koh>m 0,3 0,2 0,1
0,0 0,1 0,2 0,3 fM, м
/ Л 1
/ / Л 9
( 5 л 4
v Л Л
\ ■ид Л S
1 •и, J Л f\
1 Л 7
и, / Л Я.
•и, б Л О-'
■и,У /г "кон М
а
b
а - контур, зафиксированный в легкосуглинистой почве ( Жг = 20,8 % от МСП, ЖНВ = 16,9 % МСП, уоб = 1,36 т/м3, Рд/п = 0,64 Жг = 10,8 % МСП); Ь - контур, сформировавшийся в тяжелосуглинистом черноземе ( Жг = 48,0 % МСП,
ШНв = 23,4 % МСП, У^ = 1,28 т/м3, рд/п = 0,68 Жт = 15,9 % МСП)
a - contour stated in light loamy soil ( Wr = 20.8 % of DSM, WHB = 16.9 % of DSM, уоб = 1.36 t/m3, рд/п = 0.64 Wr = 10.8 % of DSM); b - contour formed in heavy loamy chernozem (WT = 48.0 % DSM, WHB = 23.4 % DSM, = 1.28 t/m3, pд/п = 0.68 WT = 15.9 % DSM) Рисунок 2 - Профили локальных контуров капельного увлажнения почв разного гранулометрического состава Figure 2 - Local soil drip moisture contours profiles of different granulometric texture
and d
R
ec la
ma ел
ati ио
oin ор а
a ц
n и d я
H и
у г d
ra д u р
l о
1 т е
E хн
n и gi к
n а e
e2
ri 0 n2
g. .
2 Т 0.
21
. 3,
l. 2.
,3 С.
n 5 o. 527 . 4
P.
5 5 -7 4
г, м 0,6 0,4 0,2
?
0,0
0,2 0,4 0,6 г. м
/ N
J n n \
/ / \ \
0 4
\ J
\ ■ 0 6 /
/
\ о s / f
\ /
\ h /
1 2
7?, м
г, м 0,6 0,4 0,2
?
0,0
0,2 0,4 0,6 г, м
/ \
f 0 ? \
1
\ 0 4 I
\
o, 6
\ )
\ \ n « J
\ \ u i / /
\ Л 0 /
1
——
а
b
Рисунок 3 - Профили контуров влажности, сформировавшиеся в тяжелосуглинистом черноземе в процессе подачи поливной воды из капельниц с расходом 2 л/ч (а) и 4 л/ч (b) при поливной норме NKan = 96 л/кап.
Figure 3 - Moisture contours profiles formed in heavy loamy chernozem in the process of irrigation water supply from emitters at a flow rate of 2 l/h (a) and 4 l/h (b) at an irrigation rate NKan = 96 l/d.
and d
R
ec la
ma ел
ati ио
oin ор а
a ц
n и d я
H и
у г d
ra д u р
l о
1 т е
E хн
n и gi к
n а e
e2
ri 0 n2
g. .
2 Т 0.
21
. 3,
l. 2. 3С
o. 2. P.
5 5 -7 4
Ux 5
-7 4
М 0,4 0,3 0,2 ОД 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 гют, м
оо
О 1
1 0 1
0 1
О 1
0 5
0,6-П 7
и, / 0 Я
О 0
\J,У h , М
а
b
а - тяжелосуглинистый среднемощный чернозем ( Wr = 53,5 % МСП, WHB = 26,0 % МСП, уоб = 1,33 т/м3, ßд/п = 0,56 WHB = 14,56 % МСП, дкап = 2,0 л/ч); b - тяжелосуглинистый среднемощный чернозем (W = 53,5 % МСП, WHB = 26,0 % МСП, у^ = 1,33 т/м3, ßд/п = 0,78 WHB = 20,5 % МСП, дкш = 2,0 л/ч)
a - heavy loamy medium chernozem (Wr = 53.5 % DSM, WHB = 26.0 % DSM, yo5 = 1.33 t/m3, ßg/n = 0.56 WHB = 14.56 % DSM, q
= 2.0 l/h);
b - heavy loamy medium chernozem (W = 53.5 % DSM, WHB = 26.0 % DSM, ^ = 1.33 t/m3, pg/n = 0.78 WHB = 20.5 % DSM, gKan = 2.0 l/h)
Рисунок 4 - Профили локальных контуров капельного увлажнения почв, сформировавшихся в тяжелосуглинистом черноземе с разным уровнем дополивной влажности
Figure 4 - Local drip moisture contours profiles of soils formed in heavy loamy chernozem with different levels of pre-irrigation moisture
r
d aR
c
3 л
3 о § р
a а
3 ß
§и a м H и
y г
d s а д u р
1 о
3 т е
§и
3 к
§ а e '
e 2
3. 0 §2
p '
2 Т
0 '
21
Р ,
1 № a Р
33 Р
§ 5
a —
27 4
Р '
5
5
-7
4
Результаты и обсуждение. Процесс формирования локальных зон (контуров) увлажненной почвы при ее капельном поливе зависит от почвенных и технологических условий его проведения. В соответствии с данными известных и авторских исследований, определяющими факторами контурообразования являются физико-химические характеристики почвы, включающие ее структуру, гранулометрический состав, химизм твердой, жидкой и газовой фаз, влажность почвенной среды, водно-физические свойства, содержание гумуса, плотность сложения, пористость почвы и другие показатели. Анализ указанных средовых факторов влияния на геометрию контуров влажности позволил из всего многообразия свойств почв (их типа и вида, структуры, водопроницаемости, содержания гумуса и др.) выделить на данном этапе исследования две почвенные характеристики: содержание в почве физической глины W , измеряемое в % МСП, наименьшую (предельно-полевую) влагоемкость почвы W в % МСП, и уровень дополивной влажности почвы Рд/п, измеряемой в процентах от ее влажности, соответствующей уровню наименьшей влагоемкости WHB, определяемые как средние (осредненные) значения по глубине капельно-увлаж-няемого почвенного слоя hyBJ1 или глубине контура hKOH.
Определенное влияние на геометрию контуров влажности оказывают технологические параметры капельного полива, среди которых: расход капельного микроводовыпуска (капельницы) дкап, измеряемый в литрах в час
(л/ч); продолжительность капельного полива (каплевания, капания) iKan (ч); объем водоподачи («поливная норма» на одну капельницу или локальный контур влажности) N , л; глубина увлажняемого почвенного слоя h , м,
определяемая глубиной расположения основной массы корней растений; уровень постполивной влажности почвы р^п в % от WHB; продолжительность постполивного периода формирования и срабатывания контура , ч,
и интенсивность потребления и потерь влаги. На данном этапе исследований геометрии контуров влажности в качестве определяющих процесс контурообразования факторов приняты и рассматривались количественные
значения почвенных (Щ., Жнв и Рд/п) и технологических (дкап и ^кап) параметров, а фиксация очертаний контуров осуществлялась через 24 ч после завершения капельного полива.
В качестве определяющего форму локального контура влажности параметра принято отношение его максимального диаметра («диаметра контура» ¿кон) к глубине капельно-увлажненной почвы («глубине контура» ^кон), т. е. соотношение ¿кон / йкон. При этом на разных этапах исследований (выполненных в течение 2010-2022 гг.) изучалось влияние на геометрические параметры контура влажности (его форму и размеры) различных поч-венно-средовых и технологических факторов.
На начальном этапе работы преимущественно изучалось влияние почвенных условий на форму и размеры контуров влажности (почвенных
показателей и Жнв) при проведении поливов капельницами с расходом ^кап = 2,0 л/ч на экспериментальных площадках с почвенным покровом, представленным средне- и тяжелосуглинистыми, а также легко- и средне-глинистыми южными среднемощными низкогумусными черноземами, при дополивной влажности увлажняемого слоя почвы (65 ± 5) % от наименьшей влагоемкости. В процессе анализа и обобщения опытных материалов были получены нижеприведенные эмпирические зависимости, описывающие функциональную связь между определяющим форму и основные размеры контуров влажности соотношением ¿кон/ и почвенными характе-
ристиками W и W .
1 Однопараметрические зависимости по почвенному параметру W :
-0 435 -
¿кон / ¿кон = 0,18 • WT' - для 25 < WT < 77 % МСП
при погрешности 8 = 11,0 %;
d / h = 0,54 + 0,009 • W - для 18 < W < 70 % МСП при 8 = 12,2 %;
кон кон ' ' 1 1 А ' J
d / h = 0,524 + 0,0079- W - для 15 < W < 25 % МСП при 8 = 11,4 %;
кон кон ' ' 1 1 А ' J
-0 95 -
dK0H / hK0H = 0,45 + 0,012 - W ' - для 50 < Wr < 75 % МСП при 8 = 12,6 %.
2 Однопараметрические зависимости по почвенному параметру WHB:
dK0H /hK0H = 0,085+ 0,038-- для 10 < WHB < 20 % МСП при 8 = 12,1 %;
dK0H /hK0H = 0,075+ 0,037- Wm - для 15 < WHB < 32 % МСП при 8 = 11,8 %;
dK0H/Кп = 0,137+ 0,0334- - для 13,5 < WHB < 32 % МСП при 8 = 9,6 %;
/ йкон = 0,09+0,037-- Для 15 < Щв < 25 % МСП при 5 = 8,1 %. Приведенные однопараметрические зависимости соответствовали определенным пределам их применения в части условий капельного поли-
ва и диапазонов изменения параметров Щ и Щв. По мере накопления опытных данных указанные зависимости уточнялись и получили вид:
¿кон / йкон = 0,52 + 0,009 - Щ - для 14,5 < Щ < 80 % МСП; (1)
/ Кон = 0,14 + 0,034 - Щнв - для 13,5 < Щнв < 34 % МСП. (2) Апробация зависимостей (1) и (2) на части известных и авторских контуров влажности показала, что наряду с достаточной для практики точностью определяемых по ним значений ^кон / йкон имеют место и определенные отклонения. Одной из причин этого могут быть неточности в опре-
делении опытных значений как почвенных характеристик (Щ и Щв), так и опытно определяемого значения соотношения ^кон / . Для нейтрализации указанного обстоятельства было принято решение о применении двухпараметрических зависимостей, имеющих вид:
4сон /hu = 0,62 - (Wr / WhB)0,/1 , (3)
¿L / ¿кон = 0,5 - [(0,52 + 0,009 - W) + (0,14 + 0,034 - WHB)] . (4)
Апробация зависимостей (3) и (4) показала повышение точности соответствия Расчетных значений (¿кон / ¿кон)расч опытным (¿кон / ¿кон)оп .
На втором этапе исследований устанавливалось влияние интенсивности водоподачи (расхода капельницы) на рассматриваемое соотношение dKOH / ¿кон, для чего на четырех опытных площадках была поставлена серия опытов с разными значениями расходов капельниц qKan от 1,0 до 4,0 л/ч, а на одной из них при значениях qKan = 1,0; 2,0; 4,0 и 6,0 л/ч. Одинаковость почвенных и влажностных условий серии проведенных полевых опытов позволяла выделить и оценить влияние значений расхода капельниц qKan на величину соотношения dKOH / hKOH и форму контура влажности.
Предварительное сопоставление фактических значений dKOH / ¿он в контурах, сформировавшихся при qKan = 2,0 л/ч, с расчетными по зависимостям (3) и (4) показало их соответствие. Указанное обстоятельство позволило допустить возможность установления корректирующего коэффициента к зависимостям (3) и (4) в виде функциональной связи & =
= /(<7кап; Щ / Щв). Дисперсионно-корреляционным анализом опытных данных, характеризующих указанную функциональную связь, установлена возможность ее описания эмпирической зависимостью вида:
К =
С / Whb
qкап
v 2,0 j
(5)
С учетом связи (5) зависимость (4) приобретает вид:
^ \0,bWT / W^B _
. \т ^.lH ппо. и , , ,„ 14 , w w,4 • W
г ) 1 (0,14 1 0,034 "ИВ.
Г \ > г ПВ р 1
¿кон / ¿кон = 0,5 • q^rr • [(0,52 + 0,009 • W) + (0,14 + 0,034 • WB)] . (6)
v 2,0 J
Зависимость (6) позволяет учитывать влияние на величину соотно-
шения ¿ / ¿ таких параметров, как W , W и q , но не учитывает
влияние на его значение такого достаточно значимо влияющего на геометрию контура фактора, как дополивная влажность почвы Рд/п.
Для выявления воздействий данного фактора на одной из опытных площадок была проведена серия опытов с разным уровнем дополивной влажности почвы, регулируемым от Р^п = 0,6 • WHB до Рд/п = 0,8 • WHB ее
предварительной заливкой водой. Опыты проводились при одинаковых
значениях дкап = 2,0 л/ч, Щ = 53,5 % МСП и = 26,0 % МСП. Полученные опытные данные позволили установить зависимость для определения значений корректирующего коэффициента в виде:
,0,1-Щ / Щнв
. (7)
&р = (W / wm)0,4 х
1,0 -
Рд/п
"нв J
Учет корректирующего коэффициента & по зависимости (7) позво-
ляет записать:
d / h = 0,5 •
кон кон
f Л0,1"г / Whb
qкап
v 2,0 J
• [(0,52 + 0,009 • W) + (0,14 + 0,034 • WHB)] х
f _ \0,1W / "ив
х ("г / Whb)0,4 X
p
д/п
1,0
v Whb J
(8)
Четырехфакторная эмпирическая зависимость (8) позволяет устанавливать (прогнозировать) значения ¿кон / ¿кон для широкого диапазона почвенных и основных технологических условий капельного полива.
При заданной (по условию заглубленности основной массы корней корневой системы растения) глубине увлажняемого почвенного профиля ¿Увл = ¿кон (глубине контура влажности) по значению соотношения
¿кон / ¿он, определяемому по зависимости (8), устанавливается диаметр контура влажности:
d = 0,5 • h
f ^0,1-^ / Whb Чкап
v 2,0 у
• [0,66 + 0,009 • W + 0,034 • WHB)]x
f \0,1-Wr / Whb
x (Wr / Whb)0,4 x
P
д/п
1,0
v Whb у
В процессе аналитической обработки опытного материала установлены зависимости, позволяющие прогнозировать геометрические (линейные, площадные и объемные) параметры локальных контуров влажности, формирующихся в почвенном пространстве при надземно-капельном поливе:
- для определения среднего диаметра контура влажности, м:
(^кон)ср = 0,78 • ¿кон ;
- для определения поверхностного диаметра контура влажности, м:
Кн)пов /= 1,164-0,269- W/Whb ,
или:
1,84 ____——0,45 _
(dKOH)пов / dKOH = 0,5 • (2,0 - 0,005 • Wr • уоб - 0,001 • WhB ' - 0,002 • Wm ' ); - для определения максимальной площади контура влажности, м2:
«кон = 0,785 • ¿к
для определения общего объема контура увлажненной почвы, м3:
кон'
3.
V = 0,785 • (й )2 • И .
кон ' V ко^ср кон
Использование системы вышеприведенных зависимостей позволяет предложить методику прогнозирования геометрических параметров локальных контуров увлажняемого при надземно-капельном поливе почвенного пространства, блок-схема которой проиллюстрирована на рисунке 5.
Расчетные (прогнозируемые) геометрические параметры локальных контуров влажности обеспечиваются подачей поливной воды одним капельным микроводовыпуском в объеме, определяемом по зависимости, л/кап.:
^кап = 10 • У об • ^кон • (^п/п - £д/п) • РнВ ,
где s^n и ед/п - долевые от Рнв значения уровней постполивной и допо-ливной влажности почвы соответственно, измеряемые в долях единицы.
Рисунок 5 - Блок-схема методики прогнозирования геометрических размеров локальных контуров капельно-увлажняемой почвы
Figure 5 - Block diagram of prediction technique of the local contours geometric dimensions of drip-moistened soil
Использование основных расчетных зависимостей для определения диаметра и глубины контура влажности позволило разработать графоаналитический метод (способ) прогнозирования формы локального контура влажности и построения его внешнего очертания. Способ предусматривает использование относительных геометрических параметров контуров в виде функциональной связи (rKOH )h / rKOH = f (h / hKOн), где ht - величина
задаваемой заглубленности расчетного сечения контура под уровень поверхности земли (см. рисунок 1с), принимаемая от h. = 0,0 до h. = hKOH;
(гкон- радиус локального контура влажности в заданном его сечении горизонтальной плоскостью на глубине h .
Существо предлагаемого метода расчета параметров и построения внешнего очертания контура влажности заключается в нижеследующей последовательности выполнения расчетных и графических операций.
1 Для определенных почвенных и технологических условий капель-
ного полива (жт , Жнв , Рд/п , Pнв, Уоб , Иувл, ^кап, 4кап) устанавливаются значения диаметра йкон и радиуса контура влажности гкон = 0,5 • йкон.
2 Задаются рядом (обычно 10) значений заглубленности расчетного
сечения контура И, в долях от ИкоН : 0,0 ■ Икон , 0,1• Икон , 0,2• Икон , 1,0• Икон ,
что в относительных параметрах составляет И / Икон = 0,0; И / Ион = 0,1; И / Икон = 0,2, •, И / Икон = 0,9 и И / Икон = 1,0 соответственно.
3 Для каждого из значений И / Икон (сечений профиля контура) определяются соответствующие им относительные значения (гкон/ гкон с использованием экспериментальной полиноминальной зависимости вида:
(Гкон) h 1 , 1 h,
f , л
= L + k —- - k •
2
r
1 h
h
2 f 43 / . \5 / . N7
h
+ k •
h
h
3
кон кон V кон у V кон у V кон у V кон у
h
/ 7 Л
£4 •
h
л , л
k •
h
h
где k0, k, k, k, k, k - эмпирические коэффициенты при членах полинома,
значения которых составляют: к0 = 1,169 - 0,269 • Жт / ; к = 1,03/ к012; к2 = к + к; к = 0,254; к4 = 0,2 и к = 0,054.
4 В соответствии с условно принятыми значениями к / кон для известного значения /он = /увл определяются абсолютные значения / с использованием соотношений: / = 0,0 • /кон; / = 0,1 • /кон; к = 0,2 • /КОН, ..., к = 0,9 • /КОН и ко = 1,0 • кон. Полученные значения /0 - ко являются вертикальными координатами прогнозируемого очертания контура влажности.
5 По полученным значениям отношения (гкон \ / гкон при известном
значении гкон устанавливаются соответствующие глубине / абсолютные величины радиусов локального контура капельного увлажнения почвы в соответствующих его сечениях: (ГКОН^ =0 = Гкон • ((гкон\ =0 / Гкон) , (гкон)й,. =0,1^ = ^кон ((Гкон)/1- =0,1//кон / ^кон) , (гкон ~)к1 =/кон ^кон ((гкон =/кон / ^кон) .
6 В соответствии с данными рисунка 1в на схему в принятом одинаковом по вертикали и горизонтали масштабе наносятся точки с координатами / и соответствующими им (гКОН\ . При последовательном соединении координатных точек линиями получают внешнее очертание контура влажности.
Вывод. В результате проведения полевых исследований параметров контуров капельного увлажнения почвы, формирующихся в широком спектре почвенных и технологических условий проведения капельного полива, и камеральной обработки полученных результатов предложена система эмпирических зависимостей и разработана методика прогнозирования формы (внешнего очертания), линейных, площадных и объемных параметров локальных контуров влажности, формирующихся в почвенном пространстве при надземно-капельном поливе.
Список источников
1. Ахмедов А. Д., Галиуллина Е. Ю. Контуры увлажнения почвы при капельном орошении // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2012. № 3. С. 183-188.
2. Зубаиров О. З., Жатканбаева А. О. Исследования контура увлажнения и режим орошения почвы при капельном орошении // Водное хозяйство Казахстана. 2006. № 1(9). С. 9-12.
3. Лытов М. Н. Особенности применения дифференцированных режимов водо-обеспечения при капельном способе орошения // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2020. № 2(78). С. 54-60.
4. Рогачев А. Ф., Мелихова Е. В. Компьютерное моделирование и параметризация в среде MathCAD контуров увлажнения при капельном орошении // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2021. № 4(64). С. 367-378. DOI: 10.32786/2071-9485-2021-04-37.
5. Овчинников А. С., Азарьева И. И. Особенности распространения влаги в контуре увлажнения при капельном орошении // Плодородие. 2010. № 1. С. 29-30.
6. Олейник А. М., Гаджиев М. К. Характер формирования контуров увлажнения почвы при капельном орошении // Режимы орошения и водопотребление сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе. Новочеркасск, 1984. С. 129-133.
7. Прокопец Р. В., Сергеева Е. А. Измерение параметров контура увлажнения при капельном орошении в зависимости от интенсивности водоподачи // Аграрный научный журнал. 2015. № 4. С. 62-66.
8. Расчет поливных норм при капельном орошении в условия сухостепного Заволжья / Н. А. Пронько, В. В. Корсак, Ю. Ю. Каднова, М. Ю. Филиппова, О. А. Баклу-шина // Основы рационального природопользования: материалы VI Нац. конф. с меж-дунар. участием. Саратов, 2020. С. 55-59.
9. Храбров М. Ю. Расчет распространения влаги в почве при капельном орошении // Мелиорация и водное хозяйство. 1999. № 4. С. 34-35.
10. Штанько А. С., Шкура В. Н. Способ графоаналитического построения очертания контуров капельного увлажнения почв // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2018. № 1(29). С. 67-85. URL: http:www.ros-niipm-sm.ru/archive?n=526&id=531 (дата обращения: 15.01.2023).
11. Штанько А. С., Шкура В. Н. Геометрия локальных контуров капельного увлажнения почвы, формирующихся в южных черноземах // Мелиорация и гидротехника [Электронный ресурс]. 2022. Т. 12, № 3. С. 123-140. URL: http:www.rosniipm-sm.ru/artic-le?n=1297 (дата обращения: 15.01.2023). https:doi.org/10.31774/2712-9357-2022-12-3-123-140.
12. Ясониди О. Е. Капельное орошение. Новочеркасск: Лик, 2011. 322 с.
13. Modeling moisture redistribution of drip irrigation systems by soil and system parameters: regression-based approaches / B. Karimi, N. Karimi, J. Shiri, H. Sanikhani // Stochastic Environmental Research and Risk Assessment. 2022. 36. P. 157-172. https:doi.org/10.1007/ s00477-021-02031-y.
14. Modeling moisture bulb distribution on sloping lands: Numerical and regression-based approaches / S. Solat, F. Alinazari, E. Maroufpoor, J. Shiri, B. Karimi // Journal of Hydrology. 2021. 601. 126835. https:doi.org/10.1016/jjhydrol.2021.126835.
References
1. Akhmedov A.D., Galiullina E.Yu., 2012. Kontury uvlazhneniya pochvy pri kapel'-nom oroshenii [Contours of soil moistening during drip irrigation]. Izvestiya Nizhnevolzh-skogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie [Proc.
of Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Professional Education], no. 3, pp. 183-188. (In Russian).
2. Zubairov O.Z., Zhatkanbaeva A.O., 2006. Issledovaniya kontura uvlazhneniya i rezhima orosheniya pochvy pri kapel'nom oroshenii [Research of the moisture contour and the soil irrigation regime with drip irrigation]. Vodnoe khozyaystvo Kazakhstana [Water Industry of Kazakhstan], no. 1(9), pp. 9-12. (In Russian).
3. Lytov M.N., 2020. Osobennosti primeneniya differentsirovannykh rezhimov vo-doobespecheniya pri kapel'nom sposobe orosheniya [Features of differentiated water supply modes application with drip irrigation method]. Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya [Ways of Increasing the Efficiency of Irrigated Agriculture], no. 2(78), pp. 54-60. (In Russian).
4. Rogachev A.F., Melikhova E.V., 2021. Komp'yuternoe modelirovanie i parametri-zatsiya v srede MathCAD konturov uvlazhneniya pri kapel'nom oroshenii [Computer modeling and parameterization in Mathcad environment of humidification contours during drip irrigation]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee profes-sional'noe obrazovanie [Proc. of Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Professional Education], no. 4(64), pp. 367-378, DOI: 10.32786/2071-9485-2021-04-37. (In Russian).
5. Ovchinnikov A.S., Azaryeva I.I., 2010. Osobennosti rasprostraneniya vlagi v kon-ture uvlazhneniya pri kapel'nom oroshenii [Features of moisture distribution in moisture contour during drip irrigation]. Plodorodie [Fertility], no. 1, pp. 29-30. (In Russian).
6. Oleinik A.M., Gadzhiev M.K., 1984. Kharakter formirovaniya konturov uvlazhneniya pochvy pri kapel'nom oroshenii [The nature of moisture contour formation under drip irrigation]. Rezhimy orosheniya i vodopotreblenie sel'skokhozyaystvennykh kul'tur na Severnom Kavkaze: sb. nauch. tr. [Irrigation Regimes and Water Consumption of Agricultural Crops in the North Caucasus: coll. of scientific papers]. Novocherkassk, pp. 129-133. (In Russian).
7. Prokopets R.V., Sergeeva E.A., 2015. Izmerenie parametrov kontura uvlazhneniya pri kapel'nom oroshenii v zavisimosti ot intensivnosti vodopodachi [Changing the parameters of moisture contour during drip irrigation depending on intensity of water supply]. Agrarnyy nauchnyy zhurnal [Agrarian Scientific Journal], no. 4, pp. 62-66. (In Russian).
8. Pronko N.A., Korsak V.V., Kadnova Yu.Yu., Philipova M.Yu., Baklushina О.А., 2020. Raschet polivnykh norm pri kapel'nom oroshenii v usloviyakh sukhostepnogo Zavolzh'ya [Calculation of irrigation rates for drip irrigation under the conditions of TransVolga dry steppe]. Osnovy ratsional'nogo prirodopol'zovaniya: materialy VI Natsionalnoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Basics of Rational nature management: Proc. of VI National Conference with International Participation]. Saratov, pp. 55-59. (In Russian).
9. Khrabrov M.Yu., 1999. Raschet rasprostraneniya vlagi vpochvepri kapel'nom oroshenii [Calculation of moisture distribution in soil during drip irrigation]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo [Irrigation and Water Management], no. 4, pp. 34-35. (In Russian).
10. Shtanko A.S., Shkura V.N., 2018. [A method for grapho-analytical construction of the contours of drip soil moistening]. Nauchnyy zhurnalRossiyskogo NIIproblem melioratsii, no. 1(29), pp. 67-85, available: http:www.rosniipm-sm.ru/archive?n=526&id=531 [assessed 15.01.2023]. (In Russian).
11. Shtanko A.S., Shkura V.N., 2022. [Geometry of drip soil moisture local contours formed in southern chernozems]. Melioratsiya i gidrotekhnika, vol. 12, no. 3, pp. 123-140, available: http:www.rosniipm-sm.ru/article?n=1297 [accessed 15.01.2023], https:doi.org/ 10.31774/2712-9357-2022-12-3-123-140. (In Russian).
12. Yasonidi O.E., 2011. Kapel'noe oroshenie [Drip Irrigation]. Novocherkassk, Lik Publ., 322 p. (In Russian).
13. Karimi B., Karimi N., Shiri J., Sanikhani H., 2022. Modeling moisture redistribu-
tion of drip irrigation systems by soil and system parameters: regression-based approaches. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, no. 36, pp. 157-172, https:doi.org/ 10.1007/s00477-021 -02031 -y.
14. Solat S., Alinazari F., Maroufpoor E., Shiri J., Karimi B., 2021. Modeling moisture bulb distribution on sloping lands: Numerical and regression-based approaches. Journal of Hydrology, 601, 126835, https:doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126835._
Информация об авторах
В. Н. Шкура - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, профессор; А. С. Штанько - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук.
Information about the authors
V. N. Shkura - Leading Researcher, Candidate of Technical Sciences, Professor; A. S. Shtanko - Leading Researcher, Candidate of Technical Sciences.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Все авторы в равной степени несут ответственность при обнаружении плагиата, самоплагиата и других нарушений в сфере этики научных публикаций.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
All authors are equally responsible for detecting plagiarism, self-plagiarism and other ethical
violations in scientific publications.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 24.01.2023; одобрена после рецензирования 13.03.2023; принята к публикации 17.03.2023.
The article was submitted 24.01.2023; approved after reviewing 13.03.2023; accepted for publication 17.03.2023.
