CC BY
179
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.347:631.674.6
ОСОБЕННОСТЬ ОЦЕНКИ РАВНОМЕРНОСТИ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В НИЗКОНАПОРНЫХ СИСТЕМАХ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ А.Д. Ахмедов, доктор технических наук, профессор Е.Ю. Галиуллина, аспирант A.A. Темерев, аспирант ФГБОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
В данной статье приводятся различные формулы для расчёта поливной нормы. Для количественной оценки распределения влаги в слое почвы используется метод составления эпюр влажности почвенного профиля.
Ключевые слова: капельное орошение, форма контура
увлажнения, поливная норма, почва, передвижение влаги, эпюра влажности, капельница.
Орошение является мощным фактором повышения урожайности сельскохозяйственных культур, но с увеличением орошаемых площадей растут капитальные вложения, затраты труда, энергоемкость, потребление пресной воды.
Для повышения эффективности оросительных мелиораций необходимо создавать более производительные системы, обеспечивающие максимальное получение производительной системы, обеспечивающие максимальное получение при минимальных затратах поливной воды и труда. В значительной степени этим требованиям отвечает капельное орошение, имеющее ряд ценных преимуществ перед другими способами полива [1, 2, 3, 4].
Как показывают результаты исследования, качество увлажнения почвы во многом зависит от равномерности распределения воды по всей длине капельных линий [5]. Несоблюдение этого условия при проектировании систем капельного орошения вызывает нестабильность урожаев сельскохозяйственных культур. В связи с этим, целью наших исследований является оценка равномерности водораспределения в низконапорных системах капельного орошения.
При поливе садов существуют свои особенности. В условиях орошаемого земледелия Волгоградской области водопотребление садов практически целиком определяется поливным режимом, устанавливаемым для орошаемых насаждений с учетом густоты стояния и возраста плодовых деревьев, их биологических особенностей. Основными параметрами, определяющими оросительную норму и поливной режим сада, служат: глубина промачиваемого слоя почвы, влажность почвы до начала полива при наименьшей влагоемкости, плотность почвы, количество осадков.
Следовательно, величину поливной нормы рассчитывали по формуле академика А.Н. Костякова [3]:
т = у- Н • 100 (Рнв~Рпв), (1)
где т - поливная норма, м3/га; у-плотность почвы, т/м3; Н - мощность расчетного слоя почвы,
м; Рнв ~ влажность расчетного слоя почвы, % от массы сухой почвы и соответствующая НВ; Рпв ~ влажность почвы на участке перед поливом, % от массы сухой почвы.
Следует заметить, что приведенные формулы расчета поливной нормы справедливы в случае, когда распределение влаги происходит по всей площади орошаемого участка, что соответствует орошению культур сплошного сева, и не учитываются особенности полива рядовых плодовых насаждений.
При локальном капельном орошении часть площади всего поля остается неувлажненной, и, следовательно, при назначении поливных норм необходимо знать оптимальные размеры очага увлажнения, соответствующего размещению основной массы корней растений. Поэтому для изучаемой конструкции площадь контура увлажнения будет зависеть от количества капельниц, устанавливаемого для полива одного растения. Следовательно, поливная норма для одиночного растения (контура) будет иметь следующий вид:
т / 0 ■ I' ■ И ■ у ■ (Рнв~Рпв)> (2)
где ^ - площадь питания растения, м2; /г - глубина расчетного слоя почвы, м.
В целом можно отметить, что при капельном орошении, локальная форма контура увлажнения в плане представляет собой окружность, параметры которой зависят от водно-физических свойств почвы. При этом для разных почв площадь контура будет существенно различаться. Поэтому количество устанавливаемых капельниц на одно растение зависит от размера корневой системы культуры и вида почвы.
Площадь увлажнения будет зависеть от числа капельниц, устанавливаемых для полива одного растения. При установке двух, трех и более капельниц, а также при полосовом поливе края контура увлажнения имеют ту же форму, что и при поливе одной капельницей. В связи с этим, расчет объема увлажняемого контура можно проводить только для одиночной капельницы.
Учитывая форму пространственной области увлажнения почвы, образуемой вокруг одного перфорированного участка капельного полива, а также локальный характер увлажнения почвы, получаем, что
расчет объема контура увлажнения может быть выполнен по формуле шарового сектора:
где К - радиус шарового сектора; Н - высота шарового пояса (расчетная высота увлажняемого контура).
При подстановке в формулу (2) . в место і7'/? получим
формулу поливной нормы:
При этом для упрощенного расчета можно принять К=Кш.с. (предложен Храбровым М.Ю.) равным О,7071), а центр шарового сектора - 0,5П контура увлажнения поверхности почвы [6].
Кроме того, исследования, проведенные в условиях ООО «Липовские сады» Ольховского района Волгоградской области позволили нам установить ряд закономерностей передвижения влаги в почве под действиями гравитационного и капиллярного потенциалов, а также менисковых, сорбционных и осмотических сил, значения которых зависят от содержания влаги в почве. Характер распределения влаги в почвенном слое, ее подвижность являются также и функцией влагопроводности, которая зависит от пористости почвы и степени заполнения пор влагой.
В отличие от теоретических моделей, полуэмпирические основаны на теоретических предпосылках и представляют собой простые эмпирические зависимости, аппроксимирующие более сложные теоретические уравнения. Наиболее распространенной полуэмпирической моделью является формула академика С.Ф. Аверьянова, описывающая зависимость коэффициента влагопроводности от степени насыщения почвы влагой степенной функцией [1]:
где Кф - коэффициент фильтрации; т - пористость; Ш* - связанная влага, т.е. влажность, при которой начинается интенсивное движение воды в жидкой фазе, по А.Ф. Лебедеву, это будет максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ); и - показатель степени, равный 3,5; Ш -объёмная влажность в долях еденицы.
Область применения данной модели была расширена в пределах от максимальной гигроскопичности до полного водонасыщения путем увеличения показателя степени до п = 5, при этом зависимость принимает вид [2]:
Полученные формулы (5), (6) для определения зависимости коэффициента влагопроводности от влажности почвы имеют различные интервалы применимости. Но вычисленные по этим зависимостям коэффициенты влагопроводности при одной и той же влажности имеют
V.
(2/3)-тД;Я,
(3)
(4)
(5)
(6)
примерно одинаковые значения, выражения (5) и (6), получаем, что:
Таким образом, приравнивая
т-Ж*
(
(?)
Решая уравнение (7) относительно при влажности IV = IV,-,, в результате находим выражение для максимальной молекулярной влагоемкости, которое имеет вид:
т(к~кУп-к(т~кГ/7
\ п____м /_____п \___м /__
IV =
410/7
(8)
(к-кГ7-(^-кТ
В результате исследований по изучению различных форм влаги в почве было доказано, что наименьшее значение влажности почвы, при которой подвешенная влага приобретает способность передвигаться сплошной массой, составляет в среднем 60...70 % НВ. Расчетные значения максимальной молекулярной влагоемкости по полученной формуле (8) соответствуют заданному интервалу (табл. 1), что указывает на возможность использования этой зависимости для определения приближенного значения ММВ в промежуточных вычислениях.
Следует заметить, что водно-физические константы почвы не являются стабильными в пространстве и во времени. Однако экспериментальными исследованиями было установлено, что в летние месяцы коэффициент вариации плотности почвы по площади минимален, максимальные изменения плотности не превышают 6 %. Поэтому в нашей работе сезонные изменения почвы не учитываются.
Таблица 1 - Расчетные значения максимальной молекулярной влажности
Г оризонт Мощность горизонта, м Пористость, % объема почвы Полная влагоемкость, о/ /0 Максимальная гигроскопичное ть, % Наименьшая влагоемкость, о/ /0 Максимальная молекулярная влагоемкость
о/ /0 объема почвы % НВ
А + Впдх 0-0,26 45,0 33,8 4,63 23,1 14,6 63,2
В! 0,26-0,27 36,4 23,9 4,69 19,6 11,95 61,0
в2 0,72-1,2 40,7 25,4 2,81 18,4 11,4 62,0
с 1,2-1,6 41,8 26,3 1,93 18,6 11,1 59,7
Кроме того, для количественной оценки распределения влаги по слоям почвы при локальных способах орошения можно использовать метод составления эпюр влажности почвенного профиля. На эпюре влажности (рис. 1) проведены две линии: АВ, характеризующая среднюю предполивную влажность (Рпв), и ДС - 100 % НВ (Рнв) до их пересечения с горизонтальной линией ЕС - границей расчетного слоя почвы [2].
Рисунок 1 - Эпюра влажности почвы по объему питания растений
При равномерном распределении влаги по всему расчетному объему почвы эпюра влажности должна иметь форму прямоугольника и располагаться в плоскости АВСД. При этом поливная норма ш эквивалентна площади АВСД, а объем воды, эквивалентный какой-либо части эпюры, тогда можно соответственно записывать:
М-У. = ~ (9)
И' = (10)
где э - площадь эпюры; - порозность почвы.
При капельном орошении почва находится в процессе увлажнения в течение длительного времени. При этом формируется затопленный контур увлажнения, его радиус можно определить по формуле:
я = < (д/ккУ (11)
где О - расход капельницы, см3/ч; К- насыщенная гидравлическая проводимость, см/ч.
При полосовом увлажнении (когда капельницы расположены близко одна к другой) максимальная ширина полосы насыщенной влагой почвы будет равна:
<щ/К, (12)
где д - удельный расход воды на единицу длины, см2 /ч на 1 см длины поливного трубопровода.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, при поливе садовых культур вода подается в зону наибольшего распространения поглощающих корней, это обеспечивает экологическую безопасность орошения и значительную экономию поливной воды.
Библиографический список
1. Аверьянов, С.Ф. Зависимость водопроницаемости почвогрунтов от содержания в них воздуха [Текст] / С.Ф. Аверьянов //ДАН СССР. - 1949. - Т. 69. - № 2. - С. 141-144.
2. Григоров, М.С. Контур увлажнения при внутрипочвенном орошении [Текст] / М.С. Григоров, А. Д. Ахмедов // Мелиорация и водное хозяйство. - 1999. - № 4. - С. 32-33.
3. Костяков, А.Н. Основы мелиорации [Текст] / А.Н. Костяков. - М.: Госсельхозиздат, 1960.-622 с.
4. Овчинников, A.C. Особенности распространения влаги в контуре увлажнения при капельном орошении [Текст] / A.C. Овчинников, И.И. Азарьева // Плодородие. - 2010. - № 1. -С. 29-30.
5. Овчинников, A.C. Зоны увлажнения почвы как фактор управления ростом корневой системы томатов при капельном орошении [Текст] / A.C. Овчинников, И.И. Азарьева // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2009. - №4 (16). - С. 43-47.
6. Храбров, М.Ю. Расчёт распространения влаги в почве при капельном орошении [Текст] / М.Ю. Храбров // Мелиорация и водного хозяйства. - 1999. - № 4. - С. 34-35.
E-mail: askar-5@mail.ru
