Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Методика расчета запасов влаги в почве и оросительных норм сельскохозяйственных культур (на примере зоны недостаточного увлажнения Европейской части СССР)

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Методика расчета запасов влаги в почве и оросительных норм сельскохозяйственных культур (на примере зоны недостаточного увлажнения Европейской части СССР)"

С\

ФЩЗРДЛЬНАл СЛУЖБА РОССИИ ПО ■ГИДРО.,ЖПЗОРОЛОГЙИ И МОНИТОРИНГУ ОКБУШХШЙ СРЕЦЩ (РОСГИДРОМЕТ)

" РР З 0^СУДШЯШИй" 'лщадатввниа институт

На правах руколлса

. ХАЙДАРОхй Валентна Алшрогна

¡шолт расчета запасов влаги в шчве И ороситшьшх КОРМ сельскохозлПствшных

• ЗУДЫУР

(НА ПРИМЕРЗ ЗОНЫ НЕДОСТАТОЧНОГО УПШНЕНШ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ)

. Специальность -11.00.07 -Гддрологал суна, годные ресурсы, гздрсхнмая

■ 'Автореферат •

дассертадш! на ссяокшосе ученой степекж

- кандидата технически наук

Санкт-Петербург

1993

Работа выполнена в Государственном-гидрологическом институте

Научный руководитель - доктор географических наук Б. Е. Водогрейки:

Официальные оппоненты: 1

доктор технических ааук, профессор Г, В. Меюкулин; кандидат технических наук, доцент А. С. Субботин.

Ведущая организация - проектно-изыскательское к научно-исследовг . телъское объединение "Союзводпроект”

Згзчта диссертации состоится "Jk?”.4/H^Ai1 S9^r. в-/'Sчас, на заседании специализированного совета Д. 024.03.01 Государственного гидрологического института-по адресу:

1S9053, Санкт-Петербург, 2-л линия, дом 23, ГП1 '

Факс: (812) 213-10-23 '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института-. _

Автореферат разослан 1 9Эу~? г. . . ' ' ■

Заверенные печатью учреждения отзывы в 2-х экземплярах просим направлять в адрес института. . .•

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат химических наук

Актуальность теш диссертации обусловлена ее тесной связью с проблемой научного обоснования эффективного использования водных и земельных ресурсов в условиях интенсивного воздействия орошаемого земледелия на природные ЭКОСИСТвМЫ-

Б основе успешной эксплуатации орошаемых земель и предотвращения негативных последствий от орошения лежит его нормирование.

В связи с этим разработка универсального-метода нормирования, базирующегося ка использовании минимальных и легкодоступных данных стандартных наблюдений, провозимых на сети станция Росгидромета, является весьма важной и актуальной проблемой. Простота и доступность метода для его практического использования позволит оперативно проводить массовые расчеты влагообеепеченноети сельскохозяйственных посевов, яодопотребления ка орошение, что необходимо для решения задач оптимизации водопотребления и рационального использования водных ;? земельных ресурсов, которые является частью рететя проблемы стабилизации и улучшения экологической ситуации районов орошаемого земледелия.

Деля, и задачи исследования. Целью наетоящ&и работы являлась равраС'СТка иизтэда расчета водопотребления сельскохозяйственных' культур, влагозапасов деятельного слоя яочвы под ними и оросительных норм при использовании данных стандартных наблюдений.. проводимых на опорной сети Росгидромета, на основе исследования гпдрометеооологичесшго режима сельскохозяйственных полей зоны недостаточного увлажнения России. ■ '

3 задачу исследований входили: ; .

-анализ взаимосвязи элементов гидрометеорологического редан. сельскохозяйственных полей (по данным стандартных наблюдений опорной сети агрометеорологических станций); .

-усоверзенотвование тепловодиобалаясового метода ГГИ;

-практическое применение разработанного метода и его достоверность.

Объект исследований. Исследования выполнены для территории европейской части России, относящейся по агроклиматическому районированию Д. И. Елико к зоне недостаточного увлажнения, -В качестве исходной информации использовались агрометеорологические данные оперной водкобалалсовой к агрометеорологической сети га многолетний пе-

риод наблюдений, •

Обшая методика исследований. Сложная взаимосвязь процессов тепло- и влагообмена, протекающих в единой системе "грунтовые ЕСдьг-псчва-растение-атмосфера'\ обусловили выбор в качестве мете дики исследования те пловоднооаланоогсго (ТЕБ) метода.

Для определения параметров исходных уравнений ТВБ метода использовались взаимосвязи их с гидрометеорологическими факторами j факторами подстилающей поверхности, устанавливаемые на основе генетического анализа к применения сплайн-аппроксимации с использованием ПЭВМ. - . .

Научная новизна. Разработана новая модификация ТЕЕ-ыетода рас чета недопотребления сельскохозяйственных культур, влагозапасов деятельного слоя почвы, оросительных норм.

•’ Впервые параметризация лежащей в основе ТВБ-метода исходной формулы расчета суммарного испарения выполнена автором’при помощи структурно-динамического параметра-функции, выраженного в виде многофакторной зависимости от определяющих его факторов.

' Автором впервые разработана схема расчета влагозапасов почвы, в которой учет суммарного влагооЗмена' деятельного слоя ггачзь: с нг лззлежащаык осуществляется в виде параметра-функции, .определиешге по данным стандартных сетевых наблюдений. Выяалев гистерезис заві: о»«ост&й предлагаемых парашгров-фунхцнй от определяющих факторог обусловленный направленностью процесса формирования влагозапасов почвы.за расчетный период: их пополнением или сработкой. Для аппроксимации нелинейных зависимостей.дспользован математический ап парат сплайн-функяий. ■ • .

При расчете оросительных норм на основе новой модификации ÎBE метода впервые учитывается интенсивность дождевания. ■

Создан алгоритм расчета элементов водного баланса деятельного слоя почвы сельскохозяйственных угодий, программно ..реализованный на ПЗШ IBM РС/4Т.

Шказана возможность использования предлагаемой расчетной схе мы для определения экологически безопасных оросительных норм.

Научная и практическая значимость. Результаты выполненных исследований и полученная на их основе новая модификация ТЕБ-метода расчета влагозапасов почвы, водопотребления и оросительных норы сельскохозяйственных культур, могут бить использованы при конкрет ном проектировании оросительных мероприятий, а также при оценке

допустимых воздействий орошаемого земледелия на природные экосистемы. ■

федложекныэ в диссертации решения имеют методическое и прикладное значение и доведены до уровня практических рекомендаций. Основные разработки автора использованы при составлении научно- ‘ технических отчетов Института экологии природных систем Татарстана, Государственного гидрологического института, г проектных проработках Гидрояроекта и Татгипроводхоза.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и одобрены на 7 Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1985г.на конфе• ренциях молодых ученых и специалистов ¡'Ленинград, 1985 и 1987гг. на семинаре Матема?ического института Тадж. ССР (Душанбе, 1958г.). на научно-практической конференции ‘'Рациональное использование и охрана водных ресурсов в Татарской АССР’Ч Казань, 1909г.), на научно-технической конференции ¡Дй (Москва. 1987':.), ка 1 Всесоюзном сочетании "Гидрофизические функции к влагометрия почв" (Ленинград, Агрофизический институт,1937?.}, ка стоговой сессии Ученого совета ГТИ .(Ленинград» 1987г. ), на совместном научном семинаре отдела водных проблем и отдела гидрофизики почв ТТЛ (Санкт-Петербург 1993г.). .

Публикации. Основные ревультаты лсследоьаний по теме диссертации опубликованы в 9 работах. '

Структура и объем работы. Работа изложена на 205 страницах мз-ейнопиского .текста. содер»тт 13 таблиц, 58 рисунков. Состоит- из введения,. трех глав, выводов. Перечень использованной литературы включает 174 наименования отечественных и зарубежных авторов.'

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, показано ее научное я практическое значение, излагаются пели, задачи работы и принцип подхода г.. их рекеняю. . .

В я^агой т-даве рассматривается природные условия и вгроклимати-ческке особенности, а также приводятся краткая история развития гемсд&лич и сведения об агрометеорологической изученности района исслегсззшп!.

йссяелуемал территория принадлежи- к зоне недостаточного ув-лсгйсн.ия европейской части России Здесь расположены основные рай-

- - б - , оны развития зернового хозяйства и кормовой багы'гля животноводе! ва. Большая часть рассматриваемой территории омывает »го-зостс Русской платформенной равнины, меньшая - кшую часть Русской равнины представляющую собой равнины севера Предкавказья. :

- Территория имеет значительную протяженность с севера на юг и с запада на восток. 'Ярко выраженное зональное распределение солнечной радиации, с одной стороны, и, с другой стороны, иссушение воздушных шее по мере продвижения их к востоку, создаст в пределах рассматриваемой.территории большую неравномерность распределения текла и влаги. -

. Характерной климатической особенностью территории, расположи кой в шной части пояса умеренных широт, является неравномерное сезонно«’развитие циклонических и антициклонических процессов.

' Расход сушарного теплового потока, на различные биофизически* процессу неодинаков по .природным зонам. В. лесостепи и умеренно з; сушивой степи тепло- расходуется в основном на испарение (соотве' ственно 100-125'К 88-100 кдж/смй в год). ■

В. соответствии с уменьшением влагозапасов в почве количество испарившейся, влаги с ее поверхности быстро уменьшается не только с севера на юг, ко и с запада на восток.. Так,- в лесостепи и умеренно засушливой степи за<год испаряется, соответственно 400-500 и 350-400 ш, в засушливой и сухой 'степи - 250-300_т. .

- Ш условиям формирования.Грунтовых вод В неледниковой ЮГО-ЕО! точной части'Русской равнины выделяют две основные-зоны; северку; в пределах лесостепи и степи'и южную-.- в зоне засушливых степей. Северная зона территории характеризуется залеганием грунтовых во, в отложениях ,дочетвартичного возраста различного,-литологического типа в большинстве случаев на глубине более 20 м. В районах Окск< ДОНСКОЙ НИЗШННОСТК И левобережья НИЗОВИЙ Дона ВОДОНОСНЫЙ ГОрИЗО. развитый в отаозкенгах неогена, безнапорный, залегает на глубинах от и - 10 м з речных долинах до нескольких десятков метров на во доразделах.. • - , ; * • . . '' ‘ - -

Исследуемая территория характеризуется благоприятными по теп лообеепеченностиусловиями для выращивания основных сельскохозяй-.ственнкх культур. Однако недостаточная естественная увлажненное?, территорииявилась причиной.развития, здесь орошаемого земледелия ■Яша' яе-репбкзшяая. площадь .ородания составляет более 18 ыдн га. Переломным моментом в развитии орошаемого' земледелия зонк

явились 50-е годы. Е этот период были созданы крупные. зоны от-оы-.-емого земледелия в Поволжье и на Северном Кавказе, началось развитие его б центрально-черноземных областях. В настоящее время плотадь орошения в гоне недостаточного увлажнения России составляет около 1.4 млн га; по сравнению с периодом 1961-1965 гг. она увеличилась в 8-12 раз. Б 70-е года все большее распространен;« получает такой способ полива как дождевание.‘

Более чем 25-30-летнее орошение изменило гидрогеологические к почвенно-мелиоративные условия на территории оросительных систем. Почти повсеместно произошел подъем уровня грунтовых БОД.

Одна из проблем, орошаемого земледелия зоны недостаточного увлажнения - угроза истощения черноземов.' .

Для научного обосновании мероприятий (агротехнических, мелиоративных и др.) по созданию оптимальных условий для растений с целью получения устойчивых высоких урожаев необходимо разработать такую методику расчета элементов тепловлагообмена в системе ’’грунтовые воды-почва-растение-атмосфера", которая бы давала возможность учесть влияние всего комплекса гидрометеорологических условий и индивидуальных свойств растений на $юршрование урожая. Наиболее полное отражение условий формирования урожая сельскохозяйственных культур представлено'в материалах наблюдений опорных станций комплексной воднобалансовой и агрометеорологической сети.-Основное, достоинство этих материалов наблюденийгаклячается в их комплекс-кости, т. е. одновременно« измеренийй- на одних и тех дзэ сельскохозяйственных полях (участках) агрометеорологических, гидрогеологических, почвенных, фенологических и других характеристик условий формирования урожая сельскохозяйственных культур. \ ;

5 Вторая глава посвящена усовершенствованию тепловодкобалансового (ТВЕ) метода‘расчета водопотребления сельскохозяйственных', ■ культур и запасов влаги в почве на.основе анализа взаимосвязи элементов гидрометеорологического режима сельскохозяйственных полей по данным стандартных наблюдений. . , , .

Приводится краткий обзор и анализ достоинств и недостатков существующих расчетных методов. Основное внимание уделено группе методов, основанных на совместном решении уравнений-водного и теплового балансов. В результате такого решения получены комбинированные зависимости, отражающие как обеспеченность процесса испарения влагой, так и его энергетические возможности. Такой подход в

- 8 - • ■ . . разных модификациях' вредставлен в работах Е С. Мезенцева, Г. Тюрка, X. Пенмана, М. II Еудшо. С. Я. Харченко. Все эти комплексные схемы объединяет известное положение о пропорциональности суммарного испарения потенциально возможном/ (испаряемости). Разница же между ниж заключается ъ переходе от испаряемости к суммарному испарению и приемах расчета испаряемости., -

Как известно,. в оснозе комплексных тепловоднобалансовых схем лежит экспериментально установленная зависимость суммарного испарения от увлажнения почвы - линейная при недостаточном увладненш и шломеняюшзяся при избыточном: .

£ - £о(У/ср/Шв) (1)

где Е - суммарное испарение; -

Со - испаряемость; . ,

Vcp- средние за расчетный период влатрзапасы почвы.

При использовании этой зависимости для расчета водопотребяея! сельскохозяйственных культур для конкретных интервалов времени в работах ряда .авторов отмечается необходимость ввадения в формулу (1) поправочного коэффициента. В частности, С. И. Харченко в начесч ве поправочного коэффициента предлагает "биологический" .параметр

Ь, определяемый при известных значениях E,Eo,Wk,Wk я Whb кз тоот ЯОЕенИЯ: . ■ . ’

b - C2^iB]/C(WH+Wk)Eoj • ' (2)

где Ш - влагозапасы почвы на начало расчетного периода;

Vti - вдагозапасы почвы в юнце расчетного периода

Средяеыноголетяш и. общэтеррихоркадькш значения Ь дифференцированы им ш грушам сельскохозяйственна* культур и фазам их развития. Б работах А. И. Кузника, Е. А. Леонова я Е Е. ЛеоноъоА, Е В. Пеньковой и др. на фактическом материале били показаны диапазоны колебания нараштра Ь, значительно, икогдг с нисколько раз, поевы-. шаюяке рекожявованные С. И. Харченко, осзденяо для условий зоны недостаточного увлажнена. В настоящей работе проведено ксогедо-вание причин колебания параметра Ь. При послезевании причин коле-

бания параметра Ь были использованы материала нзо-дюд-нш? егам-шй комплексной водлобаланссвсй и агрометеорологической сети ?<.■■■ гидромета, расположенных в различных районах зоны недостаточного увлажнения, о рчдами наблюдений продолжительностью от 8 до 18 л&т. Для расчета Ь лс формуле (2) были использованы данные наблюдений аа суммарным испарением с различных сельскохозяйственных поверхностей (пар, належь, зерновые, многолетние травы), продуктивными влагозапасами почвы для полуметрового и метрового ее слоя (в соответствии с видом испарителя), продуктивными влагогапасами этих слоев почвы при наименьшей влагоемкости и фазами развития растений. За расчетный интервал времени принята декада.

Для расчета испаряемости (Ео) за декаду в условиях конкретного года в работе была исследована возможность использования методики Вудыко-Зубенок. Рекомендуемые этим методом зональные графики зависимости испаряемости от условного дефицита влажности воздуха построены для среднемяоголетних условий. При расчете испаряемости по ним га конкретные годы могут возникать ошибки, поскольку в них используются среднемноголетние и общетерриториальные значения интегрального коэффициента турбулентной- диффузии. В настоящей работе использован предложенный А. И. Зудаговским и а Г. Андреяновым к •• усовершенствованный а Б. Пеньковой графоаналитический способ расчета Ео с использованием переменных значений интегрального коэффициента турбулентного обмена. Сравнительный анализ величин испаряемости, рассчитанных по зональным графикам Будько-Зубенок и усовершенствованным комплексным методом ГГО, показал зависимость абсолютной разницы этих величин от старости ветра и облачности. Отмечается, что' различия между значениями декадной испаряемости могут достигать более 302. . ■

На основе выполненных исследований был сделан вывод о том, параметризация формулы (1) дозпша быть выполнена' на более высоком уровне, а именно при помощи переменного параметра, отра-тлюзего структурно-динамические взаимосвязи 'элементов водного баланса в оазличных гидрометеорологических условиях с учетом особенностей физиологической регуляции испарения г-аотительнсстью. Учитывая состав наблюдений, проводимых ка опорной сети водксбахачсовък'и'агрометеорологических станций, в работе исследуется и предлагается параметр-функция Сё:

. - 10* Сс1=1'( К; Ф; ¥н; Р; со; Г;Уф; УТБ) .

где. К - вид культуры; ,

Ф - фаза ее развития;- : ’

Ун- влагозаласы деятельного слоя почьы на начало'декады, мм;

Р - общая суша атмосферных осадков за декаду, мм: \

' Ео- испаряемость га декаду, ым; ■

I -.интенсивность выпадения осадков за декаду, ш/час-.

Уф- продуктивность культуры (конечный урожай)., ц/га;

УГБ- глубина залегания грунтовых вод, в-м от поверхности зе!

В связи со сложностью аппроксимации функции многих аргументе отражающей многофакторные природные связи (3), в последнее врем гидрометеорологии широкое применение стали находить полияомиалы еплайш,'-позволяющие производить построение аппроксимациояяой Ф: кции любой наперед заданной 'степени гладкости. В настоящей рабо1 для.построения многофакторных зависимостей (3) были использован: программы пакета "ЗКШ-Г, разработанные в ВП Сибирского отделен: РАЕ Графики, представленные в работе на 25 рисунках, наглядно демонстрирует влияние .каждого из рассматриваемых‘факторов на из менекие величины струкгурно-динашческого параметра-функции СИ. качестве примера приведен один из -них (рис. 1). Для удобства виг зльного чтения многофакторных.зависимостей значения параметра-функции Сс1. рассчитывались в узлах равномерной прямоугольной сет ки. В целях унификации-зависимостей;(3) и возможности их анализ и сравнения для различных сельскохозяйственных поверхностей дан ные по факторам, выраженные в абсолютных единицах, были преобра зованы в относительные. В работе установлено,, что имеющиеся мат риалы наблюдений ка опорной сети водиобалансовых к агроызхесрод гических станций позволяют получить зависимости, •отражающие все гипотетически возможные сочетания влияющих на СЗ факторов. Поэт му они должны рассматриваться как совокупность возможностей, в пределах которых растение, в зависимости от его адаптационных с собностей,• функционирует. -. . - -

Подробный анализ влияния-гидрометеорологических условий на характер-колебания-, параметра-функции Со, приведенный в работе, оБИАс^^шстЕует о том, что полученные зависимости не противовес ¿©временным представлениям о процессе суммарного испарения пои

Рис." 1. Зависимости параметра-функции СИ дат яровой пшеницы -Б фазы роста (а,в) и многолетних трав в фазы активной вегетации (б,г) при глубоком залегании уровня грунтовых вод для 1=6.5 мм/ч за декаду, Уф/Утах=0. 75 и т/Щв- ’

а. б - 1-ОЛ; 2-0.2; 3-С. 3: 4-0.4; 5-0.5; 6-0.5;

- 12 - , налички растительности и бег нее, отраиэннчу е р- лотах таких известных авторов, как А. Ы. АлпатьеБ. В. Г. Андреям~£, А.-Л, Еудагов-гкий, М. И. Будько, А. Р. Константинов, И. А. Какс-имов, Б. С. Мезенцев, а а Шабанов ^ др. В то азе- время, проведенные автором исследован» позволил;-! уточнять природу параметра, традиционно считавшегося ’’биологическим", и подтвердили сложность взаимосвязей элементов теплового и водного балансов, а также неправомерность тополъзсвг чия формулы ТЕБ-метода при расчете сушеного испарения для фак-этгчесгагх погодных условий конкретных лет при постоянстве царамез ра Ь. Таким- образом, формул (1) принимаетследующий вид:

. Е = СаЕо(¥н+Ш;)/2ййВ (4'-

»гг - ‘

В тешювоянобалансовых схемах расчет влагозапасов'почвы осуществляется по формулам, полуденным в результате совместного решения параметризованной тем или иным способом основной расчетной формулы (1) при представлении в ней ¥ср как полусуммы влагозапа-сов ка начало и.конец расчетного периода-и уравнения водного баланса деятельного слоя ПОЧВЫ:

Е=Ун+Р-Ук-г-К~ _}-Уп - - (5)

где } - инфильтрации за предел*» корнеобитаешго слоя почвы; •

К - расхода грунтовых вод с зону аэрации; -Уп - поверхностный сток;. ■ ' • . ■

' Р - атмосферные, осадки. . ' •

В связи со сложностью определения независимым путем характеристик вертикального к горизонтального влагоосм^ка дж-ельксго слоя почьы, их взаимосвязью и взаишобусловленносте», представля е-тея нецелесообразным раздельный учет элементов влагообмеяа при расчетах влагозаласов почвы. В результате исследований предложен оригинальное решение учета влагообмена деятельного слоя почвы с нижеяезаязши в виде общей систематической погрешности, которая определяется прк измеренных ¥к, Щ, Е и Р по уравнению:

О « Е+Ик-№н-Р

(б)

- із - ■

Проведенные исследования показали, что колебания величины ^ как и структурно-динамического параметра-^якцжз С<3, могут битх представлены . з виде многойактсрной зависимости его ст тех ж&

факторов:

0=Ґ(К;Ф;Ун;Р;£о: І;Уф;УГЗ) ' (П

. В работе подробно -чналіРзируетея ¡сарактер ••?ч^ис;»{сстеЯ и от принятых факторов (22 рисунка), построенных по ланннм яабл?д*я;г.: агрометеорологических к ьодксбалаясорьп: стаяш« для р&е",г-:к-гл сельскохозяйственных поверхностей. Вид.зависимостей обіде й яопрзь-ки к суммарному испарению С от принятых факторов олре/'ллпется как ;і для структурко-дішашческого параметра'й'нкшт Са соотношение« !лэ:кд7 приходными м расходными элементами водного баланса делге.о ■ ного слоя почвн для каждой конкретной поверхности і,ітас. зерновке, многолетние травы п т. д.). за расчетный интервал времени (декаду) (рж. 2}.. Параметр-фуаігцкя О, рассчитаянш по уравнения (5), включает в себя элементы вертикального злагообмена этого слоя с нпйележаяиш (К,Л, поверхностный сток (Уп), а такт® погрешность' измерения суммарного испарения (<ЗЕ), осадков (сЗР), влагозапасов почвы (<1Ю и других неучитываемых приходов влаги на поверхность (<3(}} (з виде.росы или за счет адсорбирования влаги лкстими растений в ночные часы из воздуха для повышения тургора а др.

' , . о=к-]-Уп+б£-ііїРШч'+іЩ <■?:>

Удельішй вес каддой йз.сссгавлятпх обаэЯ поправки к суммарному кспареніїю изменяется пой изменении как гш^^тесролсгіг-:^-еких условий, так и жизнедеятельности растений г каязсм ксль-ре'-'-НОМ периоде ИХ Р55ВК?75..- -

Возможность учета суммарно влагосбмена деятельного ело л гточл. с яижзлежашша при псмопп; пзраметра-функциа 0 уттрсяает кеаслі ¿ог-і-ние тепловодясбаланссзого метода для расчетов ьзагозаарсэе гг.-г?.ч на сельскохозяйственных угодьях, т. к. позволяет кспс,«?.яоез'П лиг:. данных стандартных сетевых наблюдений бег прив-яг-ченж« материалов специальных наблюдений:. .

т-< Ш 1-( СйЕо/СУкв) 7 -Р’ г0> /С 1 +(СсЖо/ЙУая) 1

(8)

ГЗ-*5

.4 С*

; г £ *• . - •

г 2.5 2

.........................Л -¿.Л.

N :

1Л г •

\ г * :

^ * .

-&2.*7........:~

1Г- .

и ' *; -а.а £?-■-•• -■-

•Д...-ЗД........

: '*)\

3.5 Г 4.5

--е

.'.Т.

• ¿-

*з

С 4

г.? з

Ряс. 2. Зависимости параметра-функции В/Ео для яровой пшенй-.дь£ в Фазы роста яри 1=0.5 мм/ч за декаду ;',а,в) и многолетних ..■ров а ¡¿азы активной вегетации при 1=5.0 мм/ч за декаду(б.г) зля глусокого залегания уровня грунтовых вод, Уф/Утах»0. 75 а '»н/Унв: а, б - 1-0.1; 7.-0.2; 3-0.3; 4-0.4; 5-0.5; 6-0.6;

_ где Р'- еуШарный приход влаги на поверхность почвы за декаду г

■ мм 'для богарных уодавий это сук»® осадков, а для ореа%-. мых полей - сумма осадков и- поливов). _ •

3 процессе построений зависимостей параметров-Функций Са г ~ от определяющих факторов анализировался генезис рассеяна« тсцек. Выделение фазово-однородных точек по рэаультирушэй изменения

• злагоаапасов почвы за расчетный период (декаду) позводило вьїіьгї:-две ветви зависимости - при пополнения влагосааасов почвы ;; сработке. Наоднозначнссть зависимостей параметров-функцій со и Св данном случае объясняется как о&яеизвестнкм в гидрофизике почв явлением гистерезиса, так я инерционностью Формировала элементов водного баланса почвенного, слоя (. рис. 3). При расчете влагогапа-сов почвы по формуле (3) выбор зависимости для определения параметров-функций СИ и 0 с учетом гистерезиса в первом приближении рекомендуется проводить по показателю увлажнения Р/Ео,- при Р/Ео<1

- выбирается ветвь "сработки”, а при Р/Ео>1 - •'пополнения" влаго-

. запасов. Данная схема выбора достаточно условна. Однако разработка критерия, по которому осуществляется' прогноз направленности процс-еса формирования влагозапасов почвы, является самостоятельным научным исследованием и не входила в задачу настоящей работы.

В третьей главе•рассматриваются практические приложима зевоя модификации ТЕБ-метода (расчет влагозапасов деятельного елся пс;-вы для богарных к орошаемых полей..расчет оросительных псрм еелг-скохозяйственяых культур.при поливе дождеванием), в том чяеге экологические аспекты применения расчетной схемы. .

• ’ Для расчета влагозапасов почвы, по формуле (3) в качестве ;:с~

' ходных- пршшаотся данные- по осадкам, их продоотг?,?льност’/.. гспо-ряемости, продуктивным влагозапасям почвы при какменьиея глог.-^у-кости, глубине залегания грунтовых вод, орсоятйльяым. аориам также Бызкописакнш многефакторнье -зависимости пз рамет рой-.: л;

С(3 И 0. • ' ' ■ '

Для 'орошаемых полей определение параметров СИ її О ироетвслтп’ея с учетом характеристик дождевальной техника '(интенсивности лстае-ванкя - ІМ): . ' ' - . ■ ' . ■

са-г( К, Ф, ’¿Н/Щт.,р’ /Во, I*, Уф/Х-ПЕХ, УГй/УГЕгпах);. •. { 9).

Рио. о. Зависимости параметров-функций Ой (а,в) и 0/Ео (б,г)

їля пара при пополнении (а,б; и сработке чЕ.г' влагозапасов яочвы за декаді’ для УГВ=4. Ом, 1=5.0 мм/ч за декаду и Ун/Унв: 1-С. 7; 2-0.8; 3-С. 8; 4-1.0. '

Г=( 1мТЫ+1дТд)/(ТмгТд) (И;

Р’ =Р+М ' ’ [12)

где Р' -суммарный приход влаги на поверхность за декаду, мм;

■ Г- средневзвешенная интенсивность поступления влаги на поверхность, км/ч за декаду;

1м - интенсивность дождевания, т/ч за декаду;

Гд - интенсивность осадков, мм/ч за декаду;

Тм - продолжительность дождевания за декаду, час. ;

Тд- продолжительность осадков за декаду, час; и - оросительная норма за декаду, мм;

Ушах- максимальный урожай культуры за период наолвдений,д/га; УГЕтах- максимальная глубина залегания грунтовых вод яа терри’ тории, м от поверхности земля.

' Расчеты продуктивны? влагозапасоз деятельного слоя почвы под сельскохозяйственны»! культура».® (под яровой пятеницей для 1 м. а под многолетними травами - для полуметрового слоя] f-ыполнядись ка ПЭВМ при помощи специальней программы, вчлючаизгй начет пржслзд-ных программ сплайн-аппрокснмааии. Для проверки схеш привлечены исходные материалу наблюдений, которые не иепсльзоьалиеь при построении многофакторных зависимостей' пзраметрсЕ-функщгл Ccî ч D. Расчет проводился для лет различной узлазиенноети но осадкам (1972-1973гг. К Для сравнения расчетных величин продуктивных вла-гозапасов почвы с измерекк«уи использовано 162"декада/пункт. Об-дий коэффициент корреляции г равен 0.92; средяекгадратичеекое отклонение вычисленных злагогалаеов почвы от игмерчгяньк теомсстзтнс-весовым методом составляет 15 мм; относительная ередяекваарйтиче-ская ошибка составляет 1S. 8 Z. Анализ- причин отклонения рассчитанных величин продуктивных влагозапасоз деятельного слоя почвы от измеренных термостатно-весовым методом показал, что отклонения, превышающие 25%, обусловлены заданием условий забора зависимостей параметров-функций при учете их гистерезиса ос показателе Р/Ео. Очевидно, что пополнение влагозапзсов ! Vk^Wh; не всегда однсзнач-

. - 18 -

но определяется условиями превышения количества осадков над иед; ряемостыо га расчетный интервал времени (Р>Ео). Большое влияние величину Vk оказывает распределение осадков внутри декады (времз выпадения осадков). Поэтому прогноз направленности процесса формирования конечных влагоаапасов (иссушение или увлажнение почвы; должен осуществляться при помощи более сложного, комплексного п; казателя, разработка-которого является самостоятельным научным исследованием.

Разработанный в настоящей работе способ учета интенсивности осадков в поливов при расчете влагоаапасов почвы позволил предложить новую схему расчета оросительных корм сельскохозяйствен«! культур при поливе дождеванием. Основной особенностью предлагав] расчетной схемы является то, что величина оросительной нормы («С определяется методом подбора, исходя из условия поддержания вла-гозапасов деятельного слоя почвы на заданном уровне. Эхо обусдоз лено взаимозависимостью элементов тепловлагооОменэ деятельного слоя почвы. Алгоритм реализован автором в программе, составлены: на языке 50РТРАН-77 для персональной ЭШ IBM PC/AT.

В работе представлены результаты расчет© оросительных норм нетто для яровой пшеницы (табл. 1) и многолетних трав (табл. 2) по 17 станциям, расположенным в зоне недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России. га многолетний период (1959-1879гг.) для условий глубокого залегания грунтовых вод и формирования высоких урожаев. ' . . ■ ■

Сравнение оросительных норм, вычисленных по,предлагаемой сх< ме, с нормами, рассчитанными ТЗБ-методом С. И, Харченко {табл. 3) показало, что: ■ '

- для яровой пшеницы полученные оросительные. нормы меньше вычисленных по методу С. И. Харченко на 20-77 7.;

- для многолетних трав сравнение проводилось со значениями'оросительной нормы, снятой с карта, приведенной з монографии с.К.Х -ченко-. оросительные кормы многолетних трав, приведенные на карт; на 10-53 Z выше рассчитанных по предлагаемой з работе схеме.

Представленные в работе результаты много!ариантного расчета оросительных норм для многолетних трав по станции Семикаракорск демонстрируют -возшяности применения расчетной cxe»nj -r.z реализ; дни одного из этапов получения зкологически безопасных ор с...;:-■ш:< норм сельскохозяйственных культур. '

- Таблица 1

Оросительные нормы (нетто) для яровой пшеницы» мы

! N

ПУНКТ

№р

СУ

рг

1 ! ; п/п ( ! ! { 1 > \ ! 1 1 } 1 5 ! 25 * 1 50 » [ 1 75 I 1 1 ■

> р ! 1 ! дрек \ 1 121 .. ! 0.57 ¡236 ¡169 ¡120 1 1 о»с-» ! 10 !

! 2 | Вугудьма 1 67 1 0.93 ¡198 I 83 ! 47 ] 20 I 4 ;

! 3 ! Еузудук ! 124 ¡' 0.62 '¡27? ¡163 ¡109 : 67 ! зо ;

! 4 | Еуинск • I 88 1 0.55 ¡172 ¡124 ! 86 ; 49 ! 14 I

1 5 | Воронеж { 45 ! 0.86. 1Ш { 71 [ 36 ! 12 1 1 !

1 б 1 Бршов - ! 194 ( -0. 46 [345 ¡255 ¡191 ; 128 1 55 !

! 7 | Земетчино [ ш | 0.62 ¡253 ¡162 ¡107 1 63 ! 23 1

1 3 | Казань . I 105 1 0.58- ¡220 ¡141 ! 96 1 59 1 !

1 а ! Маркс - ! 128 1 0.54 [281 [157 ¡117 | 73 ! 40 !

'¡10 I Пенза ! ' 90 1 0.64 |188 1132 1 88 1 47 [ о (

111 ! Сурсксе . ’ [ 72 ! 0.68 ¡158 ¡105 ! 65 ! 31 1 Я ‘

!1Я 1 Теткам • Г 85 I 0.51 ¡153 ¡114 1 81 ( С'З 1 1-.^ 1 22 ;

(13 | Чебеньки' 1 136 \ 0.64 ¡301 ¡185 ¡120 1 69 1 24 *

¡14- 1 Ч?лно-Бершинк I 35 [ 0.72 ¡204 1112 1 70 1 42 ! 13

115 ! Хчрабади ’ 251 1 0.34 |40б ¡320 ¡251 '201 Ц15

[16 ! Гигант ■ 160 \ .0/57 ¡330 / 01 о ( А Н /¡с * *’*ч; ! 21 1 *

11-7- 1 Мичуринск ] • 85 1 0,85 ¡229 ¡121 ! б? I 31 ( г/ ■ } ' •

. Таблица 2

Оросительные нормы (нетто) для многолетних грав, мм

{ ? і N І і ] ЇИ/ПІ • ПУНКТ і \ Мер { і І і і СV і ! і •і і Ь г 1 5 1 і ! ) . і Р£ 25 | 50 І | ~ І '■'3 і «1 1 І і ! 95 і і !

' 1 ; І ! Арск ! 187 і С. 40 ! і і 316 і і 238 і185 1 1132 1 1 1 ! 67 і

‘ і *•' 1 Бугульма І 140 ! 0.43 166 і 128 і 100 і 72 і

І і Еугулук ; 2ВЗ І 0.32 ! 434 І 3421281 ¡220 ¡140 !

і 4 1 Вглнсп 1 150 І 0.38 І 3171 238)185 І -1 Гіг? | ¿4' і 75» !

: £ і Воронеж [ 144 ( 0.68 ! ззі і 1871120 і '/С і ' »•' 1 35 !

1 о І ЛйЕОВ 1 ЯГ.7 ; 0.29 і 555 і 4301357 1291 1214 і

• ~ Земетчино і 179 і 0.33- і .ООО І 216 ¡174 ¡137 1 '32 !

і е- ; л&нань ! 248 ! о.г? і 4101 3085242 1181 1106 і

; сі ' Шаке і 392 і 0.32 ! 610! 475]386 1303 ¡399 !

\У0 ' ТІ&їїЗЗ ! 315 і 0.40 1 520 і 4201315 1231 1109 )

їіг Сурекое і 151 і 0.40 ! 257| 190)146 1107 1 58 1

» А О іе'шш 1 182 і 0.43 ! 317} 236 і 179 1123 і 58 1

і 13 Чгбеньки і 319 і 0.36 І 514) 3961316 ¡236 1135 і

і 14 Челно-Вершны і 248 ! С.38 і 422! 3021236 1180 1120 і

Ц5 Харайаяи 1 254 ! 0,23 ! 5031 4021344 1295 1236 [

116 Гигант • ] 262 і а 34 ! 5741 446 і359 і 273 і 163 і

¡17 Мичуринск і 169 і } 0.55 і 342! 2251155 ‘ ! 98 « 1 40 1

Среднемноголетшге оросительные нормы (нетто), да

! Станция І і | Г 1 (Сельскохозяй- ! і ственкая куль-! ¡тура { Яарченкс с, ъ: ¡новая 1 ¡схема і і . ;

і Гигант 1 яровая пшеница! 202 I : і 150 і

| Маркс і яровая, пшенкт 1 320 ! 123 ;

| Воронеж ¡яровая пшеница| 196 1 45 ;

! ЕрЕОВ !яровая пшеница] 324 ¡134 ;

І Бугульма | многол. травы | 300 ¡140 |

і Ерисв 1 многол. травы 1 450 ¡267 і

! Бузулук ! шогол. травы і 400 1283 ;

і Марке | многол. травы _! 435 ¡332 і

! Хзрабаиг і . I многол. травы 1 .і... - ...і 525 1354 ! » \

1. В работе предложена новая модификация ТББ-метода расчета влн-гозапасов почвы и оросительных норм сельскохозяйственных культу; Впервые установлено, ЧТО коэффициент В ИСХОДНОЙ формуле ТББ'МЄТі да необходимо рассматривать как параметр, выраженный через опре деленные функции, отражающие структурно-динамические взаимосвлг: элементов водного баланса в различных гидрометеорологических ус ловиях о учетом особенностей физиологической регуляции испареки оастителькостью. Полученные при помощи сплайн-аппроксимации зав скмост’и структурно-динамического параметра-функции Ссі от какоол икйоомативкых факторов (Елагооапасов почвы на начало расчетного периода, осадков, интенсивности их выпадения, испаряемости, глу Зины залегания грунтовых вод, продуктивности сельскохозяйственн хулмуры,' фазы ее развития) укладываются в современные представ тения о процессе суммарного испарения при налички раститедьяост і: беї* нее.

С. При расчетах влагоаапасов почвы предложен оригинальный спосс учета .йлагообмена деятельного плоя почвы а ниййл<* чадами при по* ззт суммарной поправки 0, представленной аналогично структурно-г паническому параметру-функции Ссі, в виде многофакторной зависимости от тенлоьоднобалансовых характеристик. При такой схеме сг чета отпадает необходимость независимого определения элементов вертикального и горизонтального влагообмена деятельного слоя пс вы. что значительно облегчает применение метода на практике. Зь явлен неоднозначный характер (.гистерезис) зависимостей Ссі и Б <■ определяющих факторов, обусловленный направленностью процесса і мкрования влагозапасов почвы за расчетный период: их пополнение или сработкой.

3. Выполнен расчет и статистическая оценка оросительных норм пі поливе доздеванием для яровой пшеницы и маоголетнкх трав за ве) ташюнный период по 17 станциям. Среднеыногслетняя величина < еительнои порт, рассчитанной п" новой схеме, меньше полученної ТЕБ-.мєтодом С. М Харченко на 20-77Й для яровой пшеницы и на 10-БЗХ - для многолетних трав. Предлагаемая методика дает возмох• ьость производить расчеты влагозапасов почвы и оросительных но; сельскохозяйственных культур при моделировании всего многсобра. гидрометеорологических условий зона недостаточного увлажнения

ропейской -части России. .

. Ка примере Семикаракорской полевой экспериментальной бачы ГГ'1

показана возможность использования, новой модификации ТБЕ- метода

для реализации начального этапа определения экологически бевсхме-

них оросительных норм'сельскохозяйственных культур.

' СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ЛКССЕРТАцКИ '

1. К методике расчета безвозвратных потерь стока при осуществлении оросительных мелиораций .в бассейнах малых рек. - В кн.: Рациональное использование и охрана водных ресурсов малая рек (тезисы докладов Всесоюзной научно-техничессй конференции,). -Таллинн, хинводхоз СССР-ШШШВР, 1935 (в соавторстве с

3. Е Колмогоровым, Е В. Пеньковой). с. 69-70.

2. Учет асикхронности стока и дефицита водопотреблеяия сельскохозяйственных . культур при оценке изменения стока малых рек под влиянием орошения для Европейской территории РСФСР. - В кн.:

' Рациональное-использование- и охрана водных ресурсов малых рек (тезисы докладов Всесоюзной научнс-техничесой конференции'. -Таллинн, Мяяводхоз СССР-ЩШШШВ?, 1935. о. 73. .

3. Я усовершенствованию метояхгки расчета водного режима мелиорируемых земель. - В кн.: Повышение надежности мелиоративных систем (сборник научных трудов- Ленгипровсдхоза). - Л.. Ленгкн-роводхоз. 1985 (в соавторстве с Е. Л. Зэдясобой, Я. 3. Пеньковой;.

' С. 84-97. . •• • .

4.' Методические рекомендации по учету; влияния хозяйственной деятельности на сток малых рек при гидрологических расчетах зля водохозяйственного проектирования. -Л., Гидрсметеоиздат 1966.

. (в-соавторстве с коллективом научных сотрудников ГТЮ. е. 81-34,

136-139, . . '

5. Оптимизация в решении практических задач по рациональному использованию- годных ресурсов малых рек. -Тезисы докладов V Всесоюзного гидрологического съезда.- Л., Гиярсметеоиздат„ 1986

(в соавторстве е ЕЕ.Еодогоецким, ЕКБенькозоЯ, ?.С.Петровой).

с. то - тг.

6. Расчет изменения стока с малого водосбора при наличии на нем

орошаемых площадей, - 3 кн.: Вопросы гидрологии суши. - Л Гидрометеоиздат, 1983. с. 95-100, -

• - 24 -

Определение эмпирического параметра тепловодюбэланеоБого метода и расчет Бдагозапаеов деятельного слоя почвы по данным стандартных наблюдений. - Сборник научных трудов {¿зековского гидромелиоративного института. - Ы , МГМК, 1931 (.в соаЕторет] с Б. Л Бапясовой, Е 3. Пеньковой). с. - .

Учет гистерезиса при расчете влагозапасоБ почеы тепловоднос^-лансовым методом. - В кн.: Вопросы гидрологии суиж. - Л. , Ги; ¿'омзтэсиэдат, 1390. с. 51-50.

Новая модификация теплозодноб&нансового метода V, еь практически- приложения.- Метеорология и гидрология. N9, 1393. с. 79-г