Рациональное использование воды для нужд орошения всегда было и остается актуальным. При осуществлении индустриальных методов производства посевных сельскохозяйственных культур активно применяются машинные способы полива. Тем не менее технология машинного полива не позволяет осуществлять дифференцированное распределение объема воды, как по орошаемой площади, так и по времени. Необходимость в дозировании по времени подачи воды для нужд площадного орошения определяется с целью не допущения образования поверхностного стока при выполнении поливных норм полива сельскохозяйственной культуры. Образование поверхностного стока приводит к нарушению структуры почвы, снижению газообмена и как следствие создание не благоприятных условий для роста и развития растений.
Одновременно образование поверхностного стока приводит к увеличению расхода поливаемой воды, образование локальных зон переувлажнения, луж.
Возникновение таких ситуаций происходит в случае не учета как первичного состояния почвы, в частности – влажности, так и её физических характеристик.
Целью работы является построение математической модели дозированной по времени водоподачи на орошение сельскохозяйственных культур с учетом влагопереноса в корнеобитаемом слое почвы.
Материалы и метод исследования.
Зона аэрации является средой площадного питания грунтовых вод в естественных условиях и создает благоприятный режим влажности корнеобитаемого слоя. Основной формой влагопереноса является действие гравитационных и капиллярно- сорбционных сил.
Количественной оценкой влагопереноса является скорость. Скорость влагопереноса определяется линейным законом Дарси- Клюта [1]:
где k — коэффициента влагопереноса, H— напор на поверхности, Z – глубина зоны корнеобитания.
При составлении дифференциальной модели времени водоподачи (полива), учет текущей (начальной) влажности почвы осуществляется при помощи коэффициента фильтрации и поправочного коэффициента [2]:
, (1)
где kп – предельное значение коэффициента фильтрации (полное насыщение),
— текущее и предельное значения влажности,
n =3-4 эмпирический коэффициент.
Одновременно с этими замечаниями, нестационарный режим фильтрации, возникающий при дифференцированной подачи воды, образует гистерезис влагопереноса, который зависит от структуры почв и направления фильтрационного потока, на этом этапе составления модели не учитывается.
В основе модели по дифференцированию времени подачи воды для полива, лежит уравнение баланса объемов:
Wпод = Wфильтр + Wтрансп +Wисп , (2)
где Wфильтр – объем фильтрационного потока, Wтрансп – объем воды на транспирацию, Wисп – объем воды на испарение.
При выполнении дальнейших действий по составлению модели дифференцирования времени полива, в целях некоторого упрощения, значения Wтрансп, Wисп на данном этапе не учитывались. Однако примерная величина испарения пшеницы за летний сезон с одного гектара составляет 2000-3000 тонн, то есть примерно 200-1000 литров воды на получение одного килограмма сухой массы (4). Тогда выразив объем воды через расход Q и время t, выражение (3) будет выглядеть:
, (3)
Где Qпод и tпод – соответственно подаваемый на полив расход воды и время его подачи, Qфильтр и tфильтр – соответственно расход и время фильтрации воды в почву.
Общий вид дифференциального уравнения описывающего нисходящее неустановившееся движение фильтрационного потока имеет следующий вид [3]:
, (4)
где k – коэффициент фильтрации, 
— дефицит влажности почвы,
W— объем подаваемой воды на полив, F— площадь поливаемого участка, z – глубина корнеобитаемой зоны, h – напор на поверхности поливаемого участка, образуемый в результате полива дождевальной машиной (слой дождя образованный при поливе):
, (5)
где V— скорость перемещения дождевальной машины, b-ширина дождевателя (зона разбрызгивания форсункой воды), Q— расход насадки (форсунки):
, (6)
где m =0.8-0.9 – коэффициент расхода, H – величина действующего напора в дождевальной машине, — площадь сечения форсунки.
Величина предельного расхода фильтрации почвы определяется градиентом напора:
, (7)
где hk – капиллярное давление, возникающее при фильтрации.
Значения капиллярного давления были определены Н.Н.Биндеманом [5] и представлены в таблице 1, значения которой могут быть применены в предварительных расчетах по определению градиента J.
Таблица 1
Значения капиллярного давления
| № | Грунт | Высота капиллярного поднятия, м |
| 1 | Суглинок тяжелый | 1.00 |
| 2 | Суглинок легкий | 0.80 |
| 3 | Супесь тяжелая | 0.60 |
| 4 | Супесь легкая | 0.40 |
| 5 | Песок мелкозернистый глинистый | 0.30 |
| 6 | Песок мелкозернистый чистый | 0.20 |
| 7 | Песок среднезернистый | 0.10 |
| 8 | Песок крупнозернистый | 0.05 |
Тогда величина предельного расхода фильтрации определиться:
, (8)
После дифференцирования уравнения (4), получим выражение для определения времени за которое подаваемая вода на полив, просочится на глубину корнеобитаемого слоя почвы,
, (9)
Тогда из уравнения баланса объемов вод (2), определим время подачи воды,
. (10)
В соответствии с полученным выражением (10) можно заключить, что для обеспечения подачи необходимого объема воды Qпод на полив и не допущения образования поверхностного стока, луж, количество открытий форсунки дождевальной машины (скважность), составит:
. (11)
При осуществлении контроля за текущими значениями влажности почвы, по зависимости (1), производиться коррекция коэффициента фильтрации с последующим пересчетом времени фильтрации tф в аэрозольной зоне и соответственно дифференцированное значение времени подачи воды- tпод, а так же скважность- nd.
Выводы
Определенная величина времени дифференцированной подачи воды на полив, определенная как количество открытий кранов форсунок, и представленная выражением (11), позволит осуществить дозированную подачу объема воды для полива сельскохозяйственной культуры не допускающую образования поверхностного стока воды и луж, снижение газообмена. Так же дифференцирование времени подачи воды, позволит обеспечить подачу потребного объема воды для полива сельскохозяйственных культур, и не допустить перерасход воды.
Литература
- Кац Д.М., Шестаков В.М. Мелиоративная гидрогеология.- М.: МГУ им. Ломоносова М.В., 1981.-296 с.
- Шестаков В.М., Кравченко И.П., Пашковский И.С. Практикум по динамике подземных вод. Изд.2, М.: МГУ им. Ломоносова М.В.,1975.-270с.
- Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев А.В., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов.- М.: Недра, 1969.- 369 с.
- Martin J., Leonard W. & Stamp D. Principles of Field Crop Production (Third Edition), New York: Macmillan Publishing Co., inc., 1976, ISBN 0-02-376720-0.
- Биндеман Н.Н. Определение водопроницаемости горных пород методом инфильтрации при неустановившемся движении. – М.: «Разведка и охрана недр», №10, 1957. -35с.[schema type=»book» name=»ДОЗИРОВАННИЕ ПО ВРЕМЕНИ ПОДАЧА ВОДЫ ДЛЯ ПОЛИВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР » description=»В работе представлена методика определения дозированной по времени подачи воды для полива сельскохозяйственных культур дождевальными машинами с учетом поливных норм и фильтрационных свойств почвы. Необходимость в осуществлении дозированной по времени полива сельскохозяйственных культур, определена не допущением образования поверхностного стока и луж. Реализация этой методики осуществляется при помощи применения выносных датчиков контроля влажности почвы, которые осуществляют управлением форсунками, установленными на дождевальных машинах. Дозирование подачи воды осуществляется путем дифференцирования времени открытия форсунок дождевальной машины.» author=»Фартуков Василий Александрович, Землянникова Марина Владимировна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-18″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]