CC BY
10МЕЛИОРАЦИЯ, ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО И АГРОФИЗИКА
Научная статья УДК 631.674.6
doi: 10.31774/2658-7890-2023-5-2-14-25
О влиянии интенсивности водоподачи на геометрию локальных зон влажности почвы при капельном поливе
1 2 Андрей Сергеевич Штанько , Виктор Николаевич Шкура
1 2 «-» «-» „
' Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-6699-5245 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-4639-6448
Аннотация. Цель: установление влияния величины расхода капельницы на геометрические параметры локальных контуров влажности, формирующихся в почвенном пространстве при капельном орошении. Материалы и методы. Эмпирическую базу разработки составили данные экспериментальных полевых исследований локальных контуров увлажняемой почвы при подаче поливной воды на поверхность земли из надземно расположенной капельницы. Полевые исследования проводились на трех опытных площадках, почвы которых характеризуются содержанием физической глины 15,0; 52,0 и 76,0 % от массы сухой почвы (МСП) и наименьшей влагоемко-стью 14,0; 26,0 и 31,0 % МСП соответственно. Полив осуществлялся из надземно расположенных капельниц с расходом от 1,0 до 6,0 л/ч. При постановке опытов и обработке опытного материала использовались методы и технологии полевого эксперимента. Результаты. В результате полевых исследований зафиксированы геометрические и влажностные параметры 12 локальных контуров влажности, сформировавшихся на трех опытных площадках с разными почвенными условиями при капельном поливе с изменяющейся интенсивностью водоподачи. В процессе камеральной обработки построенных профилей контуров влажности почвы были установлены значения соотношения диаметра контура и его глубины для всех предусмотренных опытом сочетаний почвенных и технологических условий полива. В результате анализа полученных данных установлено наличие влияния интенсивности водоподачи и почвенных условий на геометрию локальных контуров влажности почвы и предложена описывающая эту связь зависимость. Выводы. Получены опытные данные о параметрах контуров влажности, формирующихся в почве при капельном поливе с разной интенсивностью водоподачи. Установлена зависимость, позволяющая оценить влияние интенсивности водоподачи на геометрию контуров влажности и прогнозировать значения диаметров контуров для заданной их глубины в зависимости от почвенных условий участка и расходов капельных во-довыпусков.
Ключевые слова: капельное орошение, контур увлажнения почвы, расход капельницы, интенсивность водоподачи, диаметр контура, глубина контура
Для цитирования: Штанько А. С., Шкура В. Н. О влиянии интенсивности во-доподачи на геометрию локальных зон влажности почвы при капельном поливе // Экология и водное хозяйство. 2023. Т. 5, № 2. С. 14-25. https://doi.org/10.31774/2658-7890-2023-5-2-14-25.
© Штанько А. С., Шкура В. Н., 2023
@0®
LAND RECLAMATION, WATER MANAGEMENT AND AGROPHYSICS Original article
On impact of water supply intensity on the geometry of soil moisture local zones under drip irrigation
Andrey S. Shtanko1, Viktor N. Shkura2
1 2
, Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-6699-5245 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-4639-6448
Abstract. Purpose: to determine the impact of emitter flow rate on the geometric parameters of local moisture contours formed in soil space under drip irrigation. Materials and methods. The empirical basis for the development was the data of experimental field studies of moistened soil local contours when irrigation water was supplied to the land surface from the above-ground emitter. Field studies were carried out on three experimental sites, the soils of which are characterized by the content of silt-and-clay of 15.0; 52.0 and 76.0 % of the dry soil mass and the lowest moisture capacity of 14.0; 26.0 and 31.0 % of the dry soil mass, respectively. Irrigation was carried out from above-ground emitters with a flow rate of 1.0 to 6.0 l/h. When setting up the experiments and processing the experimental material, the methods and technologies of the field experiment were used. Results. As a result of field studies, the geometric and moisture parameters of 12 local moisture contours which were formed on three experimental sites with different soil conditions during drip irrigation with varying water supply intensity were recorded. In the process of cameral treatment of created profiles of soil moisture contours, the values of the ratio of the contour diameter and its depth were established for all combinations of soil and technological irrigation conditions provided for by experience. As a result of the analysis of the data obtained, the impact of water supply intensity and soil conditions on the geometry of local contours of soil moisture was determined, and a dependence describing this relationship was proposed. Conclusions. Experimental data on the parameters of moisture contours formed in soil under drip irrigation with different water supply flow rates were obtained. A relationship that makes it possible to assess the impact of water supply intensity on moisture contours geometry and to predict the values of contour diameters for a given depth, depending on soil conditions of the site and the flow rates of drip water outlets.
Keywords: drip irrigation, soil moisture contour, emitter flow rate, water supply intensity, contour diameter, contour depth
For citation: Shtanko A. S., Shkura V. N. On impact of water supply intensity on the geometry of soil moisture local zones under drip irrigation. Ecology and Water Management. 2023;5(2):14-25. (In Russ.). https://doi.org/10.31774/2658-7890-2023-5-2-14-25.
Введение. В практике орошаемого земледелия все большее распространение получает капельное орошение. Основным результирующим показателем качества капельного орошения сельскохозяйственных культур являются геометрические и влажностные параметры локальных контуров (зон) увлажненного почвенного пространства, формирующихся при капельном поливе. Исследования процесса контурообразования и параметров
контуров влажности почвы проводятся в течение продолжительного периода времени для различных условий капельного полива. Среди известных разработок отечественных и зарубежных специалистов, исследовавших контуры влажности, выделим работы О. Е. Ясониди, М. Ю. Храброва, А. Д. Ахмедова, Е. Ю. Галиуллиной, А. С. Овчинникова, М. И. Ромащенко, А. Т. Козыкеевой, Е. В. Мелиховой и др. [1-7].
На параметры локальных контуров влажности почвы оказывают влияние ряд средовых и технологических факторов, среди которых характеристики почвы и интенсивность подачи поливной воды из капельных водовыпусков, что отмечено в публикациях М. Н. Лытова и авторов данной статьи [8, 9]. В известных работах большое внимание уделялось исследованиям влияния почвенных условий на форму и параметры контуров влажности почвы, для оценки которого предложен ряд расчетных зависимостей и методик [10]. Недостатками известных предложений являются относительно узкий спектр исследованных условий контурообразования и неучет влияния на форму и размеры контуров влажности такого фактора, как интенсивность подачи поливной воды из капельниц (интенсивность процесса «каплевания»). Непосредственное и значимое влияние расходов капельниц на геометрию контуров влажности указано в ряде работ. Так, в работе А. О. Жатканбаевой, А. Т. Козыкеевой, Ж. С. Мустафаева [5] выделены случаи разных форм контуров при «малой» и «большой» интенсивности водоподачи, а в работе А. Ф. Рогачева, Е. В. Мелиховой [6] приведено классифицирование форм контуров в зависимости от этого фактора. Предлагается рассматривать различные формы контуров влажности почвы в виде: усеченного эллипсоида, параболоида, усеченного шара, цилиндра, усеченного конуса, гиперболоида.
Прояснение вопроса о влиянии расхода капельницы на геометрию контура влажности было определено основной задачей проведенного исследования.
Материалы и методы. Для решения поставленной задачи был выбран метод натурного эксперимента, суть которого заключается в полевых измерениях параметров контуров капельного увлажнения почвы, их последующей камеральной обработке, проведении анализа и обобщения. Полевые исследования выполнялись на трех опытных площадках с различными видами и характеристиками почв при подаче поливной воды из надземно расположенных капельниц с расходами от 1,0 до 6,0 л/ч и поливными нормами, составляющими = 36 л/кап. на легких почвах и 96 л/кап. на тяжелых почвах. В процессе полевых исследований зафиксировано 12 контуров влажности почвы. Определение почвенных характеристик и параметров контуров влажности проводилось по методикам, приведенным в работе О. Е. Ясониди [1]. Почвенный покров на опытных площадках характеризуется приведенными в таблице 1 показателями. Таблица 1 - Характеристики почв на опытных площадках
Table 1 - Characteristics of soils on experimental sites
Опытная площадка Почвенная характеристика
Содержание физической глины , % массы сухой почвы (МСП) Наименьшая влагоемкость W , % МСП Плотность сложения почвы у об, т/м3 Уровень до-поливной влажности Р д/п, % Р НВ
ОПХ «Ключевое» 76,0 31,0 1,32 20,1
Персиановская ОМС 52,0 26,0 1,31 17,7
Донлесхоз 15,0 14,0 1,39 7,7
Примеры двух локальных контуров капельно-увлажненной почвы, зафиксированных на площадке с почвенным покровом, представленным южным среднемощным черноземом с содержанием глинистых частиц Жт = 52,0 % МСП и наименьшей влагоемкостью почвы Жнв = 26,0 % МСП, проиллюстрированы на рисунках 1 и 2.
Ui
а, b, c, d - повторности опытов; r - осредненный контур влажности, м; h - глубина, м
a, b, c, d - repetition of experiments; r - average humidity contour, m; h - depth, m
c d
Рисунок 1 - Опытные контуры капельно-увлажненной почвы с характеристиками W = 52,0 % МСП,
WHB = 26,0 % МСП при поливе капельницей с расходом q^n = 2 л/ч
Figure 1 - Experimental contours of drip-moistened soil with characteristics W = 52.0 % DSM, WHB = 26.0 % DSM when irrigatedat a flow rate qMn = 2 l/h with an emitter
w Э к
о о
o о
g г
y ги
a я n и
fi s в
a
о д
н о е
х о
з
я й
с
т
3 a
n a g e m e
n о . •
2 3 < о
о ,
5 № n 2
ю
о
. 4 2
ON
a
a, b, c, d - повторности опытов; г - осредненный контур влажности, м; h - глубина, м
a, b, c, d - repetitions of experiments; r - average moisture contour, m; h - depth, m
c d
Рисунок 2 - Профили опытных контуров влажности, сформировавшихся в почве с характеристиками Wr = 52,0 % МСП, Wm = 26,0 % МСП при поливе капельницей с расходом q^n = 6 л/ч
Figure 2 - Profiles of experimental moisture contours, formed in soil with characteristics Wr = 52.0 % of DSM, Wm = 26.0 % DSM when irrigated at a flow rate q = 6 l/h with an emitter
W Э к
о о
o о
g г
- и
a я n и
fi s в
a
о д
н о е
х о
з я
йс т
e в n о
о
а n
a g e
2 о 2
UJ
2 О
2 o
- £ n 2
2
О
. 4 2
Результаты и обсуждение. Интенсивность подачи поливной воды из капельниц проявляется в формировании на поверхности земли и в приповерхностном почвенном слое зоны с влажностью почвы, соответствующей ее полной влагоемкости. Так, с увеличением расхода капельницы с 1,0 до 4,0 л/ч диаметр такой зоны в почве с характеристиками W = 52,0 % МСП и WHB = 26,0 % МСП увеличивается с 2,0-2,5 до 8,0-12,0 см,
а при дтп = 6,0 л/ч средний диаметр влагонасыщенной зоны достигает 15,0-17,0 см. На площадке с легкоглинистой почвой ( Wr = 76,04 % МСП, WHB = 31,0 % МСП) при = 4,0 л/ч наблюдалось растекание воды по поверхности почвы. В меньшей степени указанные процессы проявлялись на легкой по гранулометрическому составу почве.
В процессе камеральной обработки графических образов профилей контуров устанавливались значения соотношения диаметра контура , м, и его глубины , м. Данные об опытных значениях соотношения dK0H / hKOH, зафиксированных при определенных почвенных и технологических условиях капельного полива на трех опытных площадках, приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Опытные значения соотношения / h „ и показатели
кон кон
условий полива
Table 2 - Empirical values of the ratio d^ / and indicators of irrigation
conditions
Показатель Почвенная характеристика
Wr = 15,0 % МСП, WHB = 14,0 % МСП Wr = 52,0 % МСП, WHB = 26,0 % МСП Wr = 76,04 % МСП, WHB = 31,0 % МСП
Значение dкон / ккон при различных расходах капельниц дкап , л/ч
Чкап 1,0 2,0 3,0 4,0 1,0 2,0 3,0 6,0 1,0 2,0 3,0 4,0
dкон ! hKOH 0,55 0,68 0,66 0,74 0,91 1,11 1,20 1,45 1,08 1,22 1,28 1,36
В результате корреляционно-дисперсионного анализа получено уравнение регрессии для определения значений соотношения / кшн
в контурах влажности, формирующихся в различных почвенных условиях при подаче поливной воды из надземно расположенных капельниц с расходами от 1,0 до 6,0 л/ч, в виде:
Í „ Л
0,1-w / W
/¿кон = 0,5• [(0,52 + 0,009• WT) + (0,14 + 0,034• WHB)]• ^ . (1)
г ' WHB
V 2 J
Зависимость (1) с приемлемой для практики точностью (±7,0 %) позволяет устанавливать значение соотношения / Лкон в локальных контурах капельно-увлажненной почвы в широком спектре изменения почвенных и технологических условий капельного полива. Результаты сопоставления опытных и расчетных значений / приведены в таблице 3 и проиллюстрированы рисунком 3.
Таблица 3 - Результаты сравнения расчетных значений / Лкон с опытными
Table 3 - Results of comparison of estimated values dv / with
^ кон кон
empirical values
Показатель Почвенная характеристика
Wr = 15,0 % МСП, WHB = 14,0 % МСП Wr = 52,0 % МСП, WHB = 26,0 % МСП Wr = 76,0 % МСП, WHB = 31,0 % МСП
Я кап , л/ч 1,0 2,0 3,0 4,0 1,0 2,0 3,0 6,0 1,0 2,0 3,0 4,0
Л кон / \он (опыт) 0,55 0,68 0,66 0,74 0,91 1,11 1,20 1,45 1,08 1,22 1,28 1,36
Л кон / ¿кон (расчет) 0,59 0,64 0,67 0,69 0,91 1,05 1,14 1,39 1,01 1,20 1,32 1,42
Отклонение опытных значений от расчетных, % -7,3 5,9 -1,5 6,8 0,0 5,4 5,0 4,1 6,5 1,6 -3,1 -4,4
Получены взаимосвязи расчетных и опытных значений соотношения Лшн / для расчетных и опытных данных с высокими коэффициентами аппроксимации, подтверждающие большое схождение и возможность использования полученных зависимостей для расчетов техники полива системами капельного орошения.
1,5
н s 1,4
G
О 1,3
'¡5 я
Я -s: 1,2
я
4 1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Í ср. = 1, 043.г -0,( >72
R-- = 0,99
Утяж = 0,66 S5.r 4 0.4078
■ R2= 0,99
у. У лег.= L6872Y- 0,435
é 1 i — U,50
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
(d^Jh^J расчет
1,2
1,3
1,4 1,5
• - легкие почвы ■ - средние почвы
* - тяжелые по гранулометр. составу почвы
dкон - диаметр контура, м; ккон - глубина контура, м dкон - contour diameter, m; ккон - contour depth, m
Рисунок 3 - Графическое сопоставление расчетных и опытных значений / h „
кон кон
Figure 3 - Graphical comparison of estimated and
empirical values d™/ Лкон
Выводы
1 Получены данные полевых исследований параметров контуров влажности, формирующихся в трех различных почвенных условиях при расходах капельных водовыпусков от 1,0 до 6,0 л/ч.
2 Получены расчетные зависимости, позволяющие прогнозировать геометрию локальных контуров капельно-увлажненной почвы с учетом почвенных условий и интенсивности подачи поливной воды от 1 до 6 л/ч.
3 Получены взаимосвязи расчетных и опытных значений соотношения диаметра и глубины промачивания с высокими коэффициентами ап-
проксимации, подтверждающие большое схождение расчетных и опытных данных и возможность использования полученных зависимостей для расчетов техники полива системами капельного орошения.
Список источников
1. Ясониди О. Е. Капельное орошение. Новочеркасск: Лик, 2011. 322 с.
2. Храбров М. Ю. Расчет распространения влаги в почве при капельном орошении // Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 4. С. 34-35.
3. 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.
4. Овчинников А. С., Азарьева И. И. Особенности распространения влаги в контуре увлажнения при капельном орошении // Плодородие. 2010. № 1(52). С. 29-30.
5. Жатканбаева А. О., Козыкеева А. Т., Мустафаев Ж. С. Математическое моделирование линейного параметра контуров увлажнения при капельном орошении // Исследования и результаты. 2016. № 2. С. 120-127.
6. 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.
7. Расчет поливных норм при капельном орошении в условиях 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.
8. Лытов М. Н. Особенности применения дифференцированных режимов водо-обеспечения при капельном способе орошения // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2020. № 2(78). С. 54-60.
9. 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/article?n=1297 (дата обращения: 01.05.2023). https:doi.org/10.31774/2712-9357-2022-12-3-123-140.
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.rosniipm-sm.ru/ archive?n=526&id=531 (дата обращения: 01.05.2023).
References
1. Yasonidi O.E., 2011. Kapel'noe oroshenie [Drip Irrigation]. Novocherkassk, Lik Publ., 322 p. (In Russian).
2. Khrabrov M.Yu., 2015. Raschet rasprostraneniya vlagi vpochvepri kapel'nom oro-shenii [Calculation of moisture distribution in soil under drip irrigation]. Melioratsiya i vod-noe khozyaystvo [Land Reclamation and Water Management], no. 4, pp. 34-35. (In Russian).
3. Akhmedov A.D., Galiullina E.Yu., 2012. Kontury uvlazhneniya pochvy pri ka-pel'nom oroshenii [Contours of soil moistening under drip irrigation]. Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie [Proceedings of Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Education], no. 3, pp. 183-188. (In Russian).
4. Ovchinnikov A.S., Azaryeva I.I., 2010. Osobennosti rasprostraneniya vlagi v kon-ture uvlazhneniya pri kapel'nom oroshenii [Diffusion features in moisture contour under drip irrigation]. Plodorodie [Fertility], no. 1(52), pp. 29-30. (In Russian).
5. Zhatkanbaeva A.O., Kozykeeva A.T., Mustafaev Zh.S., 2016. Matematicheskoe modelirovanie lineynogo parametra konturov uvlazhneniya pri kapel'nom oroshenii [Mathematical modeling of the linear parameter of moisture contours under drip irrigation]. Issledo-vaniya i rezul'taty [Research and Results], no. 2, pp. 120-127. (In Russian).
6. 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 moisture contours under drip irrigation]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee profession-al'noe obrazovanie [Proceedings of Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Education], no. 4(64), pp. 367-378, DOI: 10.32786/2071-9485-2021-04-37. (In Russian).
7. Pronko N.A., Korsak V.V., Kadnova Yu.Yu., Filippova M.Yu., Baklushina O.A., 2020. Raschet polivnykh norm pri kapel'nom oroshenii v usloviyakh sukhostepnogo Za-volzh'ya [Calculation of irrigation rates for drip irrigation under the conditions of the TransVolga dry steppe]. Osnovy ratsional'nogo prirodopol'zovaniya: materialy VI Natsionalnoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Basis of Rational Use of Environmental Engineering: Proceedings of the VI National conference with international participation]. Saratov, pp. 55-59. (In Russian).
8. Lytov M.N., 2020. Osobennosti primeneniya differentsirovannykh rezhimov vodoo-bespecheniya pri kapel'nom sposobe orosheniya [Features of differentiated water supply modes application under drip irrigation]. Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemle-deliya [Ways of Increasing the Efficiency of Irrigated Agriculture], no. 2(78), pp. 54-60. (In Russian).
9. 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 01.05.2023], https:doi.org/10.31774/ 2712-9357-2022-12-3-123-140. (In Russian).
10. Shtanko A.S., Shkura V.N., 2018. [Method for grapho-analytical design of moisture contour under drip irrigation]. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NIIproblem melioratsii, no. 1(29), pp. 67-85, available: http:www.rosniipm-sm.ru/archive?n=526&id=531 [accessed 01.05.2023]. (In Russian)._
Информация об авторах
A. С. Штанько - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук;
B. Н. Шкура - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, профессор.
Information about the authors
A. S. Shtanko - Leading Researcher, Candidate of Technical Sciences;
V. N. Shkura - Leading Researcher, Candidate of Technical Sciences, Professor.
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 25.05.2023; одобрена после рецензирования 31.05.2023; принята к публикации 07.06.2023.
The article was submitted 25.05.2023; approved after reviewing 31.05.2023; accepted for publication 07.06.2023.
