CC BY
39
ЭКОЛОГИЯ, МЕЛИОРАЦИЯ И С.-Х. ВОДОСНАБЖЕНИЕ
УДК 633.31:631.674.7:631.445.152(470.45)
ОСОБЕННОСТИ ВНУТРИПОЧВЕННОЕ ОРОШЕНИЕ В ВОЛГО-АХТУБИНСКОЙ ПОЙМЕ
PARTICULARTES SUBSOIL IRRIGATION IN VOLGO-AKHTUBINSKA YA FLOOD PLANT
Е.П. Боровой, А.Д. Ахмедов
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
Е.Н. Borovoy, A.D. Akhmedov
Volgograd state agricultural Academy
Рассмотрено формирование контуров увлажнения в зависимости от поливной нормы и конструкции увлажнителя. Подсчитывались коэффициенты вертикального распространения Кв и форм Кф. Обоснована целесообразность применения малой поливной нормы. Установлено, что ВПО позволяет повышать урожайность сельскохозяйственных культур, значительно экономить водные, трудовые и энергетические ресурсы в сравнение с дождеванием.
Formation of moisture patterns in soil regarding the quantities of irrigating water and emitters design is considered. In order to define the characteristics of moisture patterns in the soil depending on the quantities of irrigating water, the ratios of vertical water spreading Kv and forms Kf are calculated. Expediency of usage low irrigating rates is substantiated. It is determined that usage of subsoil irrigation allows to raise harvest of commercial crop, significantly save water resources, labour and energy comparing to sprinkling.
Экономия водных ресурсов сегодня - задача первостепенной важности. Это обязывает мелиораторов разрабатывать и внедрять водосберегающие технологии при поливе сельскохозяйственных культур.
Среди перспективных способов орошения одним из основных является внутрипочвенное. Однако возможности внутрипочвенного орошения из-за недостаточной изученности теоретических основ и технологии полива реализованы не полностью. В связи с этим возникла необходимость проведения ряда исследований, направленных на разработку технологии внутрипочвенного орошения люцерны на зеленый корм в Волго-Ахтубинской пойме.
В силу географических условий, климат поймы резко континентальный и засушливый. Среднегодовая температура воздуха составляет около 8 °С, величина осадков - 300-350 мм. В теплый период (с апреля по октябрь) выпадает 2/3 годовых осадков. Испаряемость в среднем оценивается в 900-1000 мм.
В геоморфологическом отношении участок находится в подзоне аллювиальных луговых сложных легкосуглинистых почв. Содержание гумуса невысокое. В слое 0-0,5 м в среднем оно составляет 0,86-0,88 % сухой почвы. Для метрового слоя почвы плотность на участке с дождеванием составила 1,44 т/м3, а при ВПО - 1 ,50 т/м3. Наименьшая влагоемкость - соответственно 19,31 и 19,27 % от массы сухой почвы. Почвы не засолены. Для большей части пойменных почв количество легкорастворимых солей в зоне аэрации не превышало 0,1 - 0,2 %, хлор вымыт за пределы двухметровой толщи. На делянке с исследуемым способом полива содержание натрия несколько больше, чем при дождевании. При этом среднее значение этого элемента в слое 0-0,5 м не превышало 1 %.
Методика. Изучение систем ВПО и режим орошения люцерны на зеленую массу в сравнении с дождеванием проводили по общепринятым рекомендациям Б.А. Доспехова (1979), Г.В. Веденяпина (1973), В.Н Перегудова (1970).
С учетом механического состава и фильтрационных свойств почв для обеспечения оптимального режима увлажнения предусмотрена минимальная глубина закладки труб внутрипочвенного орошения 0,5 м и мероприятия по предотвращению просачивания поливной воды в нижние слои почвенного профиля. С этой целью под увлажнителем устроен противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки шириной 0,25 - 0,30 м. Экран над увлажнителем устроен для предотвращения его заиления и увеличения расстояния между увлажнителями за счет увеличения контура увлажнения.
На опытно-производственном участке внутрипочвенного орошения в условиях, приближенных к производственным, были изучены две конструкции увлажнителей, выполненных из гончарных труб с внутренним диаметром 50 мм и длиной 333 мм. В первой конструкции трубы соединены муфтами из полиэтиленовой пленки шириной 0,1 м, расстояние между увлажнителями - 2,0 м. Во второй конструкции трубы уложены вплотную друг к другу, стыки их не изолированы, расстояние между увлажнителями -1,5 и 2,0 м.
Все увлажнители выполнены длиной 125 м. Уклон увлажнителей - 0,002.
Величину поливной нормы рассчитывали по формуле академика А.Н. Костякова (1960) с учетом коэффициента, учитывающего характер распределения воды в почве:
ш= ан юо (у?ш- /?н) /о,
где т - поливная норма, м3/га; ОС - коэффициент, учитывающий характер распределения воды в почве, поступающей из увлажнителей, изменяется в пределах от 0,4 до 0,7 в зависимости от механического состава почвы и расстояния между увлажнителями; Н -мощность расчетного
слоя почвы (Н=0,8 м); (5 т - влажность расчетного слоя почвы, % НВ; (5 „ - влажность почвы
на участке перед поливом, %; у 0 - плотность почвы, т/м3.
Результаты. Эффективность систем внутрипочвенного орошения находится в прямой зависимости от правильного установления параметров техники полива, расстояний между внутрипочвенными увлажнителями и глубиной их укладки, оптимизации поливных норм, скорости впитывания воды, длины внутрипочвенных увлажнителей.
Анализ исследований различных авторов, а также собственных исследований позволил сделать вывод, что во всех случаях расстояние между увлажнителями для культур сплошного сева следует назначать из условий смыкания контуров увлажнения и увязывать с капиллярными свойствами почвы.
Изучение вопросов формирования контура увлажнения в зависимости от конструкции увлажнителя, способа подачи поливной воды в почву, поливной нормы и напора проводилось на лабораторно-поливной установке. Она действовала по схеме: водонапорный бак - регулятор напора -исследуемый увлажнитель. Величина исследуемых напоров не превышала 0,2-0,7 м.
Рассмотрим результаты опытов. При I типе конструкции форма смоченного контура увлажнения приближается к прямоугольной или круглой, несколько расширяющейся по горизонтали в нижней части контура, лежащей под увлажнителем, что обусловлено поступлением влаги сначала вверх и в стороны, потом вниз.
Над увлажнителем по всей его ширине образуется водоносный слой и величина его несколько меньше применяемого напора. Водоносный слой подпитывает капиллярную кайму, расположенную на его поверхности. Распределение влаги в капиллярной кайме проходит снизу в сторону уменьшения. При уменьшении напора над осью увлажнителя от 0,6-0,5 до 0,3-0,1 м происходит смещение центра увлажнение, а также уменьшения величины водоносного слоя относительно оси увлажнителя и, следовательно, перемещение его в более глубокие слои активного слоя почвы (0,3-1,2 м). Распределение влаги в верхних горизонтах (0-0,5 м) более равномерно происходит по периметру водоносного слоя.
При 2-м типе конструкции форма смоченного контура приближается к эллипсу, что обусловлено поступлением влаги, во-первых, в стороны, а затем вверх и вниз. В остальном процесс образования зоны насыщения и капиллярной каймы происходит, как у конструкции 1-го типа. Смещение зоны насыщения зависит от напора, при уменьшении его до 0,3-0,1 м происходит смещение центра контура увлажнения ниже от оси увлажнителя. В табл. 1 приведены размеры и площади контуров увлажнения в зависимости от конструктивных особенностей увлажнителей и величины напора.
Из таблицы 1 видно, что площадь смоченного контура во II типе конструкции увлажнителя в среднем на 0,04-0,08 м2 больше, чем в I. При увеличении напора от 0,7 м и более область увлажнения увеличивается незначительно, порядка 0,05-0,07 м в горизонтальном направлении, но здесь возникает опасность суффозии грунта и выклинивание воды на поверхность почвы. Следовательно, целесообразно применение противофильтрационного экрана.
Экраны позволяют увеличить расстояние между увлажнителями и довести его до 1,4-1,5 м. Кроме того, применение экрана позволяет увеличить площадь смоченного контура в 1,3-1,7 раза. При этом наиболее оптимальным является напор 0,5-0,6 м.
Для изучения влияния поливной нормы на формирование контуров увлажнения рассматривались поливные нормы 600 и 350 м3/га.
Для определения характеристики контуров увлажнения в зависимости от поливных норм подсчитывались коэффициенты вертикального распространения Кв и формы Кф. Коэффициент Кв оценивает оптимальность контура увлажнения, т.е. это отношение величин распространения контура увлажнения вверх (а^ и вниз (аг) от оси увлажнителя, а Кф - отношение высоты контура увлажнения Бв к ширине Бг. Следовательно, при увеличении Кв уменьшаются потери оросительной воды на фильтрацию, а уменьшение величины Кф позволяет увеличить расстояния между увлажнителями. Рассчитанные нами значения коэффициентов Кв и Кф представлены в табл. 2.
Таблица 1
Размеры контуров увлажнения
(а - после окончания полива, б - через 18ч)
Время наблюдения н, м Размер контуров увлажнения
Бв,м В г, м Б, м2
Тип увлажнителя I
а 0,60 0,47 1,31 1,59
б 0,60 0,50 1,44 2,01
а 0,50 0,41 1,00 1,25
б 0,50 0,50 1,39 2,38
а 0,30 0,34 0,94 1,06
б 0,30 0,41 1,11 2,15
а 0,20 0,38 0,91 0,79
б 0,20 0,45 1,03 1,27
Тип увлажнителя II
а 0,60 0,47 1,37 1,63
б 0,60 0,50 0,48 2,09
а 0,50 0,42 1,05 1,29
б 0,50 0,50 1,33 2,41
а 0,30 0,35 0,97 1,12
б 0,30 0,43 1,16 2,19
а 0,20 0,39 0,94 0,84
б 0,20 0,45 1,08 1,33
Таблица 2
Влияние величины поливной нормы на распространение контура увлажнения
Время после полива, сут. Параметры контуров увлажнения
аьм а2,м Ов ,м Бгм кв кф
Поливная норма 600 м3/га
0 0,29 0,48 0,77 1,16 0,60 0,66
1 0,28 0,64 0,92 1,27 0,44 0,72
3 0,19 0,67 0,86 1,06 0,28 0,81
5 0,09 0,36 0,45 0,60 0,25 0,75
7 0,03 0,13 0,16 0,29 0,23 0,55
Поливная норма 350 м3/га
0 0,25 0,40 0,65 1,05 0,62 0,61
1 0,24 0,53 0,77 1,10 0,45 0,70
3 0,27 0,58 0,75 0,94 0,25 0,79
5 0,08 0,32 0,40 0,56 0,25 0,71
7 0,03 0,11 0,14 0,26 0,27 0,54
Рассматривая формирование контуров увлажнения в зависимости от поливных норм необходимо отметить, что при возрастании поливной нормы с 350 до 600 м3/га позволяет увеличить расстояние между увлажнителями на 0,10-0,15 м за счет возрастания абсциссы контура увлажнения. При этом увеличивается площадь контура увлажнения.
Однако при увеличении поливной нормы возрастают потери воды на глубинную фильтрацию, уменьшаются величины коэффициента вертикального распределения, что является нежелательным явлением при внутрипочвенном орошении.
Изучение расходов воды в зависимости от напора внутрипочвенного увлажнителя проводилось на опытно-полевой установке. Исследовались увлажнители, выполненные из гончарных труб, при напорах воды в голове от 0,10 до 0,70 м. В течение опыта поддерживался постоянный напор воды в голове увлажнителя. Контроль осуществлялся по пьезометрам. Величина расхода воды фиксировалась через каждые 10 мин от начала наблюдения. Опыты проводились при установлении предполивной влажности почвы 75-80 % НВ.
При всех изучаемых напорах в начальный момент времени расход воды, поступившей в почву, был больше, чем в последующие промежутки времени. В течение первых 60 мин работы увлажнителей при напоре в голове 0,7 м средний удельный расход уменьшился с 3,4 мл/с до 1,2 мл/с на 1 пог.м, а при напоре 0,3 м - с 2,0 мл/с до 0,6 мл/с. В конце следующего промежутка времени при всех напорах отмечалась некоторая стабилизация средних удельных расходов воды в увлажнителях.
Величина установившихся расходов воды в голове увлажнителя составила: для напора 0,7 м - 0,235 л/с, для 0, 5 м - 0,160, для 0,3 м -0,125, для 0,1 м - 0,040 л/с.
Экспериментальные зависимости q = f(t) аппроксимировались с помощью уравнения:
q = а (b + t)c + d,
где q - расход воды в голове увлажнителя, л/с; t - время от начала полива, мин; с - показатель степени, равный -1; а, b, d - коэффициенты, численные значения которых устанавливаются экспериментальным путем.
Для наших условий кривые q = f(t) описываются следующими уравнениями:
q = 6,55 Т + 0,22 при напоре 0,7 м; q= 5,89 Т 1 +0,15 при напоре 0,5 м; q = 4,65 Т 1 + 0,11 при напоре 0,3 м; q = 3,21 Т + 0,04 при напоре 0,1 м.
Анализ полученных данных (рис. 1) показывает, что во всех случаях точки в выбранном масштабе ложатся примерно на прямой линии вида у = ах + в. Эмпирические формулы подбираются методом выровненных точек. Полученные зависимости с достаточной точностью подтверждаются проверкой ряда точек на
прямолинейность по каждому варианту. Чем больше пропускная способность трубы - увлажнителя при одинаковых уклонах, тем прямая ложится выше.
Время после начала полива, мин
-90
шш 40
Д 60
- *— 1?0
■180
390
1— -340
Напор в голове увлажнителя, м
Рис. 1. Зависимость расхода воды в увлажнителе от напора в течение полива
Учитывая полученное уравнение и принимая во внимание, что зависимость уделенного расхода увлажнителя от времени носит гиперболический характер, выведем общее уравнение, связывающее между собой удельный расход, время от начала полива и напор в голове увлажнителя:
д=0,0031Н+4,508Т°’967
Среднеквадратические отклонения расчетного расхода от фактического при рассматриваемых напорах в течение всего полива колеблется в пределах 0,36-4,18 %. Область применения полученных зависимостей ограничивается по напору (Н = 0,1-0,7 м) и по времени (Т = 10-340 мин) до появления установившихся расходов.
Пользуясь расчетными зависимостями, можно подсчитать подачу оросительной воды за любой промежуток времени и при различных напорах, делать интерполяцию, экстраполяцию и определять расчетный расход воды в увлажнителе.
В течение исследований на опытно-производственном участке возделывалась люцерна на зеленый корм сорта «Синская». Высевали в чистом виде, способ посева - рядовой, технология возделывания люцерны на зеленый корм была общепринятой для данного региона. Режим орошения изучался на люцерне второго и третьего года жизни при разных способах полива.
В пределах каждого года минимально высокий урожай люцерны формировался в первом укосе и составлял 28-35 % от суммы за год. В среднем за два года урожайность при дождевании составила 79,4 т/га. Применение впо по сравнению с дождеванием позволяет увеличить урожайность люцерны в среднем на 8-12 т/га.
Отмечено снижение урожайности при увеличении расстояния между увлажнителями. Так, при увеличении расстояния между увлажнителями с 1,5 до 2,0 м, в среднем урожайность снижается на 6,2-12,1 %. Динамика средней поукосной урожайности люцерны в зависимости от разных способов полива показана на рис. 2.
Из анализа данных можно отметить, что среди рассматриваемых вариантов внутрипочвенного орошения оптимальным является вариант, у которого увлажнители выполнены из гончарных труб диаметром 50 мм с противофильтрационным экраном снизу и сверху и расстоянием 1,5 м между увлажнителями.
30 —♦—Дождевание
25 га
^ 20 Л \ ВПО, с экраном В-1,5 м
о 15 V—*
1 10 -о В=2,0 м
* 5
0 1 1 1 1 ВПО, муфты В=2,0 м
12 3 4
Укосы
Рис.2. Зависимость поукосной средней урожайности люцерны
Таблица 3
Энергетическая оценка возделывания люцерны по вариантам опыта
Предполивная влажность почвы, % НВ Затраты совокупной энергии, МДж/га Содержание энергии в урожае, МДж/га Коэффициент энергетической эффективности
Второй год
Дождевание (ДДА-100 МА)
80 105288,3 281120 2,67
ВПО
80 104301,3 294925 2,82
70 104039,0 279865 2,69
60 102968,7 261040 2,63
Третий год
Дождевание (ДДА-100 МА)
80 104638,2 276100 2,63
ВПО
80 103993,1 288650 2,77
70 103855,2 276099 2,65
60 102453,7 257725 2,51
Проводимые расчеты по оценке биоэнергетической эффективности возделывания люцерны в Волго-Ахтубинской пойме при различных способах полива показали, что все варианты опытов являются энергосберегающими, так
как отношение энергии, накопленной в биомассе урожаев, к затраченной совокупной энергии во всех случаях превышает единицу (табл.З).
Таким образом, среди изучаемых способов полива люцерны по вариантам опыта самую высокую биоэнергетическую эффективность имеет ВПО при поддержании предполивного порога влажности 80 % НВ. При этом коэффициент энергетической эффективности составляет 2,77 - 2,82.
Библиографический список
1. Веденяпина, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных/Г.В. Веденяпина. -Москва: КолосД973. -256 с.
2. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - Москва: Колос, 1997. -
416 с.
3. Костяков, А.Н. Основы мелиораций / А.Н. Костяков. - Москва: Госсельхозиздат, 1960.-622 с.
4. Перегудов, В.Н. Планирование многофакторных полевых опытов с удобрениями и математическая обработка их результатов / В.Н. Перегудов. - Москва: Колос, 1970,- 180 с.
