Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Нормирование, информационное обеспечение и реализация водосберегающих процессов орошения

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Нормирование, информационное обеспечение и реализация водосберегающих процессов орошения"

На правах рукописи

■в ОД

/- IСII 1SS0 0ЛЬГАрЕНК0 Геннадий Владимирович

Нормирование, информационное обеспечение и реализация водосберегающих процессов орошения

Специальность 06.01.02 - Сельскохозяйственная мелиорация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена в Южном научно-исследовательском институте пиротехники и мелиорации

Научный консультант: академик РАСХН, Заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор! Б.Б. Шумаков!

Официальные оппоненты: академик РАСХН, Заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор М.С. Григоров

академик РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор И.П. Кружилин

доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.И. Хохлов

Ведущая организация: Департамент по мелиорации йсмель к

сельскохозяйственному водоснабжению Ростовской области (Ростовмелиоводхоз)

Защита состоится: «I» октября 1998 г

в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 120.72.01 в Саратовском Государственном Аграрном Университете по адресу: 410710, г. Саратов, Театральная пл. 1, СГАУ им Н.И.Вавилова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан августа 1998 г.

Ученый Секретарь Диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук,

профессор А.И. Заварзин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В степной и сухостепной зонах при наличии плодородных черноземных и каштановых почв, высокой тепло-обеспеченности, одним из основных факторов,лимитирующим рост и развитие растений,является недостаточное увлажнение. Орошение в этих районах позволяет в 2-3 раза увеличить продуктивность сельскохозяйственных угодий.

Как показывает опыт последнего десятилетия, наряду с положительным эффектом от орошения, в зоне действия гидромелиоративных систем отмечается ухудшение экологической обстановки. Развитие таких негативных явлений как подъем уровня грунтовых вод, вторичное засоление и осолонцевание почв, водная эрозия, загрязнение естественных водоисточников, обусловлено как недостаточно высоким техническим уровнем оросительных систем, так и низким качеством управления использованием водных ресурсов д ля орошения. Следует отметить, что даже при самой высокой технической оснащенности оросительных систем, нерациональное управление орошением приводит к значительным потерям воды, энергетических и материально-технических ресурсов.

Поэтому, по мнению ведущих российских ученых и экспертов ФАО, приоритетными задачами для орошаемого земледелия являются повышение эффективности управления использованием водных ресурсов на основе совершенствования компьютерных информационно-советующих систем, разработка и применение ресурсосберегающих, почвоохранных технологий и техники орошения.

Цель исследований. Научно-методическое обоснование концепции и разработка рекомендаций, обеспечивающие повышение точности и достоверности оперативного планирования режимов, информационного обеспечения и качества реализации водосберегаюших процессов орошения.

Задачи исследования:

• разработать основные принципы водосберегающего орошения на основе совершенствования расчетных методов нормирования водопотреб-ления, повышения качества информационного обеспечения и реализации технологий орошения дождеванием;

• установить закономерности влияния влагообеспеченности на суммарное испарение и урожайность, с учетом особенностей водопотребле-ния сельскохозяйственных культур на различных этапах онтогенеза;

• исследовать влияние гидрометеорологических условий и орошеш на формирование водного режима, суммарное испарение и урожайное посевов ячменя, люцерны и овощных кулыур;

• получить количественные данные о влагообмене в зоне аэраш при различной глубине залегания уровня грунтовых вод;

• изучить тепловой баланс орошаемых атроценозов, выявить а особенности при различном уровне влагообеспеченности посевов мн голетних трав;

• получить количественные характеристики влияния вероятностно] характера гидрометеорологических факторов на точность расчета су! марного испарения и изменчивость эмпирических параметров в модели для оперативного планирования орошения;

• обосновать и разработать новый расчетный метод определен! суммарного испарения, методику нормирования водосберстающих р жимов орошения с учетом комплексного характера гидрометеоролог ческой и водно-балансовой информации;

• разработать рекомендации по повышению достоверности и то ности информационного обеспечения процесса нормирования орошен» усовершенствовать методику расчета испаряемости влагообмена в зо; аэрации по данным гидрометеорологических наблюдений;

• обосновать и разработать конструкции дождевальных насадок, ре лизующнх принципы комбинированного и пульсационного распыливан: жидкости, получить количественные данные о параметрах факела расш ливания, необходимые для расчета систем орошения.

Научная новизна:

• сформулированы концепция развития гидромелиоративных систе как частный случай закона эволюционного развития технических об екгов; основные принципы планирования и реализации водосбег гающих процессов орошения;

• теоретически обоснован новый метод расчета суммарного испа{ ния и динамики водного режима орошаемых земель, учитывают комплексный характер гидрометеорологической и водно-балансовой и формации;

• получены математические зависимости, отражающие влияние вла ности почвы на суммарное испарение и урожайность ячменя, люцерн капусты, лука с учетом их биологических ритмов развития;

• впервые для условий степной зоны Северного Кавказа, у станов: ны закономерности формирования водного и теплового баланса по

вов люцерны при изменении гидрометеорологических и гидрологических условий;

• разработана методика организации экспериментальных исследований, позволяющая повысить достоверность и точность исходного информационного обеспечения расчетных методов нормирования орошения, получить количественные показатели изменчивости эмпирических параметров уравнений;

• получены математические зависимости дня расчета испаряемости и влагообмена в зоне аэрации по данным гидрометеорологических и гидрологических наблюдений;

• теоретически обоснована возможность улучшения качества полива дождеванием при использовании комбинированного и пульсационного способов распыливания жидкости; разработаны новые конструкции низконапорных дождевальных насадок, исследованы их гидравлические характеристики и параметры искусственного дождя, оценено влияние качества дождя на урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность использования оросительной воды.

Практическая ценность:

• предложена методика оперативного планирования водосбере-гающих процессов орошения, позволяющая повысить качество регзяш-рования водно-воздушного режима почвы, назначать экономически целесообразные режимы орошения сельскохозяйственных культур, обеспечивающие рациональное использование водных и энергетических ресурсов;

• получен комплекс математических зависимостей для оценки влияния влагообеспеченносги на суммарное испарение, урожайность сельскохозяй-стаенньи культур щт проектирования ГМС, прогнозирования водного режима почвы и продуктивности сельскохозяйственных угодий, оперативного управления процессом орошения;

• предложены способы реализации водосберегающего процесса полива, обеспечивающие экологическую безопасность; даны рекомендации по повышению достоверности и точности информационного обеспечения систем оперативного планирования орошения в конкретных почвенно-климатических и организационно-хозяйственных условиях;

• разработаны конструкции низконапорных дождевальных насадок, повышающие качество полива и сформирована информационная база данных, необходимая для расчета их гидравлических параметров и схем размещения на водопроводящем поясе дождевальных машин.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1 Концепция стадийного развития гидромелиоративных систем, разработанная на основе закона эволюционного развития технических объектов, основные принципы водосберегающих процессов регулирования водного режима орошаемых земель.

2 Новые инженерно-технологические решения, позволяющие реализовать водосберегающне процессы орошения на гидромелиоративных системах.

3 Новый метод расчета суммарного испарения и динамики водного режима орошаемых земель, учитывающий комплексный характер гидрометеорологической и водно-балансовой информации.

4 Методика организации экспериментальных исследований, позволяющая повысить достоверность и точность информационного обеспечения расчетных методов нормирования орошения.

5 Комплекс математических зависимостей дня расчета влагообмена в зоне аэрации и испаряемости по данным гидрометеорологических наблюдений.

6 Новые конструкции низконапорных дождевальных насадок, реализующие принципы комбинированного и пульсационного распиливания жидкости.

Реализация работы. Результаты работы использованы при составлении 5 нормативно-методических документов.

Научно-технические разработки, представленные в диссертационной работе, внедрены на оросительных системах Ростовской области, с годовым экономическим эффектом 1200 млн.руб., в ценах 1997 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

Всесоюзной конференции молодых ученых (ВНИИГиМ, Москва, 1985

г.).

XII Всесоюзной конференции молодых ученых рисоводов (ВНИИриса, Краснодар, 1990 г.).

Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве" (Новочеркасск, 1989 г.).

Региональных конференциях: "Улучшение мелиоративного состояния и эффективное использование орошаемых земель" (Новочеркасск, 1989

г.) " Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1990 г.).

Научно-технических конференциях, проводимых ЮжНИИГиМ и НГМД (Новочеркасск, 1989-1995 гг.).

Всероссийском совещании "Стратегия использования орошаемых земель России" (ВНИИГиМ, Москва, 1995 г.).

Всероссийской научно-прахтической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (Новочеркасск, 1995г.).

Секциях орошаемого земледелия и эксплуатации гидромелиоративных систем Отделения земледелия, мелиорации и лесного хозяйства Россельхозакадемии (Волгоград, Новочеркасск, 1997 г.).

Работа "Улучшение мелиоративного состояния орошаемых земель на основе борьбы с фильтрацией из оросительных каналов, применения эффективного закрытого горизонтального дренажа, повышения плодородия почв и нормированного водопотребления", выполненная автором совместно с Бредихиным H.H., Корниенко В.И., Ищенко A.B., Сыпко М.Б., отмечена премией Ленинского комсомола в 1989 г. За достижение в развитии науки и техники автор награжден Почетной 1рамотой Министерства мелиорации и водного хозяйства РФ в 1989 г.

Личный вклад автора заключается а:

• разработке методики расчета суммарного испарения, позволяющей учесть влияние на его величину изменения гидрометеорологических условий в различные межфазные периоды развития растений;

• разработке концепции стадийного развития ГМС и инженерно-технических решений, реализующих принципы водосберегающего орошения;

• исследовании условий формирования водного баланса, его структуры в динамике для посевов многолетних трав и ячменя, овощных культур;

• обосновании методики проведения экспериментальных исследований по определению эмпирических параметров математических зависимостей для расчета водопотребления сельскохозяйственных культур;

• разработке новых конструкций дождевальных насадок, получении количественных данных и эмпирических параметров для их расчета и определения оптимальных схем размещения;

• обосновании региональной методики расчета испаряемости, влаго обмена в зоне аэрации и мероприятий по повышению качества ннфор мационного обеспечения расчетных методов оперативного планировани! орошения;

• руководстве и личном участии в опытно-производственной про верке и внедрении результатов исследований.

Проведение научно-исследовательской работы, опытно производственная проверка и внедрение результатов исследований, н; сельскохозяйственных предприятиях, осуществлялось в творческом со дружестве с Ивановой НА., к.с.-х.н., зав. лабораторией "Мелиоративных технологий" ЮжНИИГиМ, при участии научных со трудников: Шемет С.Ф., Коломыца ВА., Костюкова В.В., Мнхеев; Н.В.

Общая доля участия автора в научно-исследовательских работах результаты которых вынесены на защиту, составила более 80%.

Концептуальные положения работы были сформулированы пo^ влиянием идей, изложенных в научных трудах и при личном общении Шумаковым Б.Б., академиком РАСХН, Заслуженным деятелем науки I техники РФ, доктором технических наук, профессором, бывшего науч ным руководителем кандидатской диссертации автора и научным кон сультантом при выполнении данной работы.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6: научных работ, получено 22 авторских свидетельства и положительны; решений ВНИИГПЭ, 5 патентов РФ на изобретения, опубликована мо нография.

Объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, из ложена на 246 страницах основного текста, иллюстрирована 54 рисунка ми и 100 таблицами, библиография включает 301 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I ПРОБЛЕМЫ ОРОШАЕМОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Опыт эксплуатации гидромелиоративных систем в степной зоне пс казывает, что возможно как позитивное так и негативное воздействи орошения на плодородие почв и природную среду.

По данным Айдарова И.П., Бадаева Л.Г., Григорова М.С., Кружи-шнаИ.П., Ковалева Н.Г., Маслова Б.С., Шумакова Б.Б. отрицательное юздействие орошения на окружающую среду часто вызывается нерациональной организационно-хозяйственной деятельностью. Этот фактор появляется, прежде всего, в низкой эффективности использования за->ираемой из водоисточников воды.

В работах Атунина B.C. Галямина Е.П., Голованова А.И., Духов-юго ВА., Данильченко Н.В., Костромина ВА., Коваленко П.Й., Осгап-шка В.П., Олыаренко В.И., Харченко СМ., Хенесси Дж. отмечается, по нерациональное управление водопользованием, даже при самом вы-юком техническом уровне оросительных систем, приводит к потерям юды на сток и инфильтрацию, сопровождающихся ухудшением экологи-1еской ситуации. При этом бесполезно теряются израсходованные на гадоподъем и водораспределение ресурсы и энергия, что особенно не-юпустимо, в современных условиях, при значительном росте цен на >нергоносители, тенденции снижения энергоотдачи от ресурсов, вклады->аемых в орошение.

Управление водным режимом орошаемых земель сопряжено со зна-■ительными трудностями, тле. динамика влагообеспеченности посевов (ависит от большого числа стохастических гидрометеорологических факторов. Современный уровень развития средств вычислительной тех-1ики, компьютерных технологий управления производством, позволяет феодолеть эти трудности за счет применения методов математического юделирования при управлении технологическими процессами в орошаемом земледелии.

Проведенный информационный поиск позволяет сформулировать >яд положений, послуживших основой для развития концепции и разра-ютке инженерно-технических решений по реализации водосберегающих |роцессов орошения.

1 Компьютерные технологии выступают как надежный инструмент спя решения задач планирования и управления водосберегающими провесами орошения только при оперировании достоверной исходной, тсравляющей и контролирующей информацией.

2 При обосновании и разработке компьютерных систем управления ia базе математических моделей нормирования орошения очень важен ¡опрос теоретического обоснования и отбора наиболее информативных гараметров, точно характеризующих динамику водного режима посевов, щенки амплитуды их вариации при изменении условий внешней среды и еличины водоподачи на полив.

3 Количественная оценка эмпирических параметров и их измен чивости, требует проведения комплексных информационно аналитических, систсмно-методических, агрометеорологических и воднс теплобалансовых исследований процесса формирования водного режим агроценозов.

4 Реализацию водосберегающих процессов орошения обеспечиваю инженерные решения, направленные не только на повышение техническог уровня ГМС, но и создание высокопроизводительной воде энергосберегающей, экологически безопасной дождевальной техники.

5 Техника орошения, соответствующая природоохранным требовг ниям, должна формировать искусственный дождь, близкий по своим каче ственным характеристикам к естественным дождям "средней силы", каплями, падающими практически вертикально, при интенсивности д 0,25 мм/ мин, коэффициентом равномерности распределения по площад не менее 0,9; удельной энергией не более 0,12 Вт/м2.

2 ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ВОДОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ОРОШЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАЗВИТИЯ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

В работах Айдарова И.П., Григорова М.С., Кружилнна И.П Маслова Б.С., Шумакова Б.Б., Голованова А.И., Духовного ВА„ Ki рейчивой Л.В., Мосиенко НА., Никольского Ю.М., Парфеновой Н.И Попова Г.Н., Решеткнной Н.М., Рекса Л.М., Сурина ВА. Шабанов В.В., в последних работах ученых НГМА: Ивонина В.М., Косиченк Ю.М., Ольгаренко В.И., Полякова Ю.П., Сенчукова ГА., Шкура В.Н рассматривающих ГМС как сложные природно-технические объекть дается теоретическое обоснование новой концепции мелиорации, лап; шафтно-экологнческого подхода, при проектировании и эксплуатации м< лиоративных систем, как составной части агроландшафтов.

В соответствии с новой концепцией, наиболее полно, цель функцис нирования гидромелиоративной системы, по мнению автора, может бьп сформулирована следующим образом: рациональное управление мои ностью и направлением перемещения потоков вещества, воды, энергн и информации, обеспечивающие максимальную замкнутость водного б: ланса агроландшафтов при повышении их биологической продуктш ностн. Для решения конкретных задач по разработке систем новог поколения, экологически безопасных водосберегающих технологий pi гулирования водного режима необходимо, прежде всего, установить з;

кокомерносги развития ГМС, как природно-технического объекта, на какой стадии развития они находятся, основные дефекты и критерии развития, совершенствование каких подсистем, технологий может дать наибольший эколого-экономический эффект. Применив закон стадийного развития технических объектов (Мелешенко Ю.С., Товмосян С.С., Поло-винкин А.И.), установили, что ГМС, кроме четырех фундаментальных функций, свойственных чисто техническим объектам, по закону стадийного развития техники - технологической, энергетической, управления, планирования, реализует еще одну фундаментальную функцию - регулирования взаимодействия с природной средой. Без реализации этой функции невозможно функционирование ГМС как природно-технического объекта, так как она действует в составе природного комплекса, проявляя свои свойства в процессе взаимодействия с ним. С учетом этого обстоятельства, концепция прогрессивного развития ГМС, как частный случай закона развития технических объектов, сформулирована следующим образом: "Переход гидромелиоративных систем от поколения к поколению, в ходе эволюционного развития осуществляется путем последовательной реализации одной или одновременно нескольких из пяти фундаментальных функций, свойственных им как сложному природно-техническому объекту, при устранении главных дефектов конкретной фундаментальной функции, за счет более эффективных технических решений и физических принципов действия, с последовательным исключением из технологического процесса соответствующих функций, выполняемых человеком".

Анализ эволюции ГМС на основе этого закона показывает, что на первой стадии развития (4000-2000 го-, до н.э.) реализована технологическая функция за счет строительства ГМС, сети транспонирующих и распределительных каналов. Для водоподачи и водораспределения использовалась мускульная энергия человека и животных (таблица 1).

В системах 2-го поколения, наряду с совершенствованием технологической функции, реализована энергетическая функция за счет использования новых источников энергии, таких как энергия потока воды и природных энергетических ресурсов (2000 г. до нл.-1900 г. нд.).

В системах 3-го поколения (60-90-е годы 20-го века), наряду с совершенствованием технологической и энергетической функций, реализованы функции управления и планирования на базе компьютерных технологий.

Для систем 4-го поколения (экологически ориентированных) основной отличительной чертой является, именно реализация функции регулирования (управления) взаимодействия с природной средой при помощи технических

Таблица 1 - Стадии развития ГМС

Функции Поколения ГМС

I II III IV

Технологическая Технические решения по водозабору,транспортирую^ ей, распределительной н отводящей сети. Улучшение параметров технических решений Улучшение параметров технических решений Улучшение параметров технических решений

Энергетическая Мускульная энергия человека Более эффективные технические решения. Природные энергетические ресурсы Улучшение параметров технических решений Улучшение параметров технических решений

Управления Интуиция человека и опыт предшествующих поколений Интуиция человека н опыт предшествующих поколений Более эффективные технические решения (ИСС ОПО, АСУТП) Улучшение параметров технических решений

Планирования Интуиция человека и опыт предшествующих поколений Интуиция человека п опыт предшествующих поколений Более эффективные технические решения (СПВУ, АСУГП, АСД, АСГГГП) Улучшение параметров технических решений

Регулирования взаимодействия с природной средой Осознанная постановка проблемы отсутствует Осознанная постановка проблемы отсутствует Осознание и постановка проблемы Более эффективные технические решгшы и технологии, системы БИС, САР.

Пояснения к таблице: АСУТП-аатоматизированная система управления технологическим процессом; СПВУ-система профанированного выращивания урожаев; АСД-автоматизированная система диагностики; БИС биоинженерное сооружуние ;ИСС ОПО-ннформационно-советукицая система оперативного планирования орошения.

средств, компьютерных технологий, систем автоматического регулирования (САР).

В соответствии с законом эволюционного развития система развивается в направлении повышения ее сложности с увеличением элементного состава, усложнением внутренней структуры (рисунок 1). Так для систем первого поколения конструктивная структура состоит из двух подсистем - водоподающей и водораспределяющей. В структуре систем 2-гс поколения появляется подсистема, позволяющая отводить дренажные I сбросные воды с орошаемого массива. В системах 3-го поколения присут ствует подсистема управления и планирования на основе компьютерны; технологий, позволяющая осуществлять процесс орошения с оперативны!; учетом изменения внешних и внутренних факторов. В ГМС 4-го поколеню появляется блок, позволяющий целенаправленно управлять процессом вза имодействия с природной средой.

Проведенные ретроспективный и системный анализ функциональной I конструктивной структуры ГМС различных поколений, взаимодействия е< структурных элементов между собой и природной средой, позволш расширить существующую концепцию развития ГМС за счет введениз следующих положений, усиливающих ее экологическую ориентацию.

1 На экологически ориентированных ГМС управление осуществляете! как кибернетической системой при реализации принципов обратной связи на основе законов экологии и теории информации, с использованием систел автоматического регулирования (САР), биоинженерных сооружений (БИС) одновременно в процессе водоподачи, водораспределения и водоотведения.

2 С целью повышения экологической безопасности осуществляется од новременное управление объемами и качеством оросительных и дренажно сбросных вод, качество которых после очистки должно максимально соот ветствовать качественному составу дождевых и поверхностных вод, сфор мировавшемуся под действием естественных биохимических процессов протекающих в природной среде.

3 Качество искусственного дождя должно в наибольшей степеш соответствовать качественным характеристикам естественных дожде! "средней силы", с каплями, падающими практически вертикально, пр! среднеобъемном диаметре не более 0,5 - 1,0 мм, интенсивности до 0,2' мм/мин и равномерности распределения по площади не менее 0,90.

4 Реализация водосберегающих режимов орошения осуществляется пр1 минимизации критериев, характеризующих затраты на информационно! обеспечение, материально-технических, энергетических, водных, трудо-

СТРУКТУРА ГМС РАЗНЫХ ПОКОЛЕНИЙ I ПОКОЛЕНИЕ

II ПОКОЛЕНИЕ

III ПОКОЛЕНИЕ

IV ПОКОЛЕНИЕ

Рисунок 1

вых ресурсов и максимизации критериев эргономичности, безопасности, надежности, экологичности, эстетичности.

5 Регулирование водного режима корнеобитаемого слоя почвы, необходимо проводить в соответствии с цикличностью природных процессов, обеспечивая чередование различных планируемых уровней увлажнения на конкретном участке в разные годы.

На основе проведенного теоретического анализа разработана конструкция экологически надежной ГМС, соответствующая вышеизложенной концепции ( Решение о выдаче патента РФ по заявке № 95106278) ( рисунок 2). Такая структура ГМС, повышая степень замкнутости водного баланса, дает возможность двухстороннего регулирования водного режима корнеобитаемого слоя почвы и проведения комбинированных поливов, щадящих окружающую среду.

Как альтернативный вариант функционально-конструктивной компоновки экологически ориентированной ГМС предложена конструкция мелиоративной системы, которая включает центр управления (I), узел химизации (2) для подачи удобрений, мелиорантов и пестицидов в оросительную воду, узел водоподготовки (3), водозаборную насосную станцию (4), закрытую оросительную сеть (5), поливную технику (6), дренажную сеть (7), коллектор (8) с колодцами-регуляторами (9) и обратными клапанами (10), подключенный к водозаборной насосной станции (4), проводящей воду в бассейн-накопитель (II), из которого вода поступает в узел водоочистки (12), перекачивающую насосную станцию (13), напорный трубопроводом (14), с запорно-регулирущей арматурой (15), соединяющей оросительную сеть с бассейном-накопителем и узлами водоподготовки (3) и водоочистки (12) (рисунок 3).

Такая конструктивная компоновка структуры ГМС, узла очистки и деминерализации, позволит расширить функциональные возможности системы за счет одновременного управления качеством оросительной воды и дренажно-сбросных вод. Кроме того, она способствует повышению экологической надежности и безопасности функционирования системы за счет дублирования. Так как при выходе из строя одного из узлов очистки и деминерализации, другой узел замещает его и обеспечивает удаление загрязняющих веществ из оросительных и дренажно-сбросных вод.

Установлено, что экологически ориентированные ГМС обеспечат максимальную замкнутость водного баланса агроландшафтов при реализации водосберегающих принципов во всех структурных элементах системы. Для повышения экологической надежности, предложен комплекс инженерно-

технических решений, позволяющих снизить потери оросительной воды водоподводящей, водораспределительной, водоотводящей сети, а также г водосберегающих, экологически ориентированных технологий и техн* полива.

Новизна инженерно-технических решений подтверждается авторски свидетельствами и патентами РФ.

Функционально-структурный анализ ГМС с использованием закок развития техники и системно-методических положений по сужению зада исследований (Рекс Л.М., 1995 г.) позволил выделить главный элемент I стемы - подсистему водораспределения на поле (технология peгyлиpoвa^ водного режима почвы), совершенствование которой может дать мак мальный эколого-экономический эффект. Технология регулирования вод» го режима включает в себя две составляющие :с одной стороны - произв< ственную технологию ( техника и технология полива), с другой - техно] гию информационного обеспечения производственного процесса, поз] ляющую контролировать, планировать, управлять и оптимизировать п{ чзводственную технологию.

Поэтому,эффективность использования водных, энергетических, мате| ально-технических ресурсов определяется точностью управления ороше! ем и качеством водораспределения, зависящим от качества технологий техники полива.

Для каждого региона, в процессе эволюционного развития, сложит устойчивые закономерности в характере распределения осадков, их стр; туре, энергетических показателях, наиболее оптимальных для почвен! климатических условий и растительных сообществ конкретных ландшафт

Поэтому, главная задача проводимых научных исследований закто' ется в обосновании и разработке рекомендаций, методов, приемов, пов шаюших точность и достоверность нормирования режимов, качество peaJ зации процессов орошения сельскохозяйственных культур в разные гидрометеорологическим условиям годы;в максимальной адаптации тех1 логий и техники орошения к природным условиям зоны их применения.

1. МК - магистральный канал

2. CK - сбросной канал

3. 0 - колодец с регулятором

4. — - дрены верхнего яруса

5. IIIII - дрена нижнего яруса

6 .------ коллектор

7. водоприемный колодец

Условные обозначения

8. ега- биоинженерное сооружен!

9. ш-1 - распылитель стока

10. — - дождевальная техника

11. .......- напорный трубопровод

12. Г^Н - центр управления — . границы полей

В • водоприемник

3 ОБОСНОВАНИЕ ПРОГРАММЫ, МЕТОДИКИ И ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Эффективность практической реализации научных разработок зависит от качества и полноты исходной информации о свойствах совершенствуемого объекта. Для получения этой информации, на основе системного подхода, была разработана комплексная схема теоретических и экспериментальных исследований для объективной оценки производственных, природных и технических аспектов функционирования ГМС, взаимодействия подсистем между собой и внешней средой, проверки эффективности технических решений в производственных условиях (рисунок 4).

Комплексные исследования проводились в течение 1985-1994 г.г. для полу- и слабозасушливой степной зоны Северного Кавказа, на стационарном участке Ростовской областной опытно-мелиоративной станции, в хозяйствах Неклиновского, Родионово-Несветайского, Семикаракорского, Багаевского, Весёловского районов Ростовской области. Они включали изучение водного режима посевов ячменя, капусты, люцерны, лука методом водного баланса с привлечением данных лизиметрических, теплобалансо-вых и агроклиматических наблюдений, лабораторных и полевых исследований техники полива дождеванием.

Опыт 1. "Изучить динамику водного баланса, суммарное испарение и продуктивность ячменя, люцерны, капусты, лука при орошении", включал следующие варианты опытов.

Вариант "М" (контроль). Проведение поливов расчетной поливной нормой (Ш), обеспечивающей регулирование влажности корнеобитаемого слоя почвы в пределах от 80 % до 100 % наименьшей влагоемкости (0,8 ГС -ЕС ). Вариант "0,6 М". Поливы в те же сроки, что и на варианте "М" нормой 0,бт. Вариант "0,8 М". Поливы в те же сроки, что и на варианте "М" нормой 0,8 т. Вариант "1,2 М". Поливы в те же сроки, что и на варианте "М" нормой 1,2 Ш. Вариант "1,5 М". Поливы в те же сроки, что и на варианте "М" нормой 1,5 т.

Опыты закладывались в четырехкратной повторности методом организованных повторений по рекомендациям ВНИИкормов и Доспехова Б А. Площадь опытной делянки составила 1500 м2, а учетной - 300 м2.

Опыт 2. " Исследование влагообмена и водного баланса зоны аэрации". Проводился на стационарном участке лизиметрическим методом.

На воднобалансовой площадке находились шесть лизиметров ГР-80 с глубиной залегания грунтовых вод 1,0; 2,0; 2,5 метров. На участке площадью 4 га, имелась скважина для отбора проб грунтовых вод и заливки регулирующих устройств лизиметров. Организация исследований, наблюдения и учеты проводились в соответствии с методиками,разработанными

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОВЕДЕНИЯ НИР и ОКР по совершенствованию процессов орошения в составе гидромелиоративной системы (ГМС)

Государственным гидрологическим институтом (ГГИ) и Государственной гидрометеорологической обсерваторией (ГГО).

Опыт 3. "Изучить теплоэнергетический баланс в системе почва-растение-атмосфера". Исследования проводились на теплобалансовой площадке, где устанавливались приборы для измерения: теплоэнергетического баланса (актинометр, балансомер, пиранометр), температуры и влажности воздуха (при помощи термометров и психрометра), скорости ветра, на высотах 0,5 и 2,0 метра, а также температуры и влажности почвы. Проверка и тарировка приборов осуществлялись в Северо-Кавказской гидрометеорологической обсерватории. Точность измерений находилась в пределах установленных действующими метрологическими стандартами.

В лабораторных и полевых условиях проводились опыты по изучению влияния конструктивных особенностей дождевальных аппаратов на параметры дождя и качества процесса полива на урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность использования воды. Все наблюдения и учеты проводились в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов, общепринятых методик, разработанных РАСХН, ВНИИкормов, ВНИИГиМ, ГГО, ГГИ, ВНИИСОиС, " Радуга СтавНИ-ИГиМ, ЮжНИИГиМ.

Статическая обработка полученных данных, установление закономерностей влияния изучаемых факторов, проводились с применением стандартных методов математического анализа.

Сравнение агрохимических и водно-физических характеристик почв опытных н стационарных участков с аналогичными характеристиками обыкновенных и южных черноземов, являющихся зональными почвами для полузасушливой степной зоны Северного Кавказа, позволяет утверждать, что экспериментальные данные, полученные на объектах исследований, репрезентативны для гидрометеорологических и почвенных условий полуза-сушлнвой степной зоны Северного Кавказа.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА, СУММАРНОГО ИСПАРЕНИЯ И УРОЖАЙНОСТИ АГРОРОЦЕНОЗОВ ПРИ ОРОШЕНИИ

Главная задача полевых опытов это получение достоверной и детальной информации о динамике водного баланса, формировании суммарного испарения и урожайности агроценозов в различных гидрометеорологических условиях и режимах полива. Разработанная концепция научных исследований, применение положений теории планирования экспериментов, позволили организовать полевые опыты таким образом, что за счет естественной изменчивости гидрометеорологических условий как в про-

странстве, так и во времени и искусственной дифференциации оросительных норм, обеспечен значительный диапазон варьирования влагообеспе-ченности посевов. Так, коэффициенты вариации для осадков и дефицита влажности воздуха, влажности почвы составили 27-36 %, 13-17 %, 31-60 %, соответственно (таблица 2). Это позволило получить информацию о процессе формирования водного режима, суммарного испарения, продуктивности агроценозов, при значительной амплитуде изменения величин гидрометеорологических факторов, соответствующей изменчивости этих показателей для изучаемых агроценозов, в годы с разной естественной увлажненностью, за период 1910-1997 годы.

Таблица 2 Факторы и уровни варьирования эксперимента

Уровень ФАКТО] РЫ

Культура варьиро- Р, 1, ¿Г ЕСЙ, Ею-Р, ДW, м,

вания мм °С мб мм мм мм мм

X 135 1450 740 360 220 67 120

ячмень ДХ 77-193 1373- 573- 312- 96-335 40-91 50-210

1520 910 415

БУ 35,5 5,0 13,9 8,2 30,5 31,3 31,4

X 97 1820 870 471 371 10,6 160

люцерна ДХ 23-171 1699- 714- 402- 225- (-5,4)- 70-300

1950 1020 539 517 35,6

1 -го года ЭУ 27,2 6,1 16,9 12,5 28,3 145 32,3

X 270 3200 1540 807 517 54 320

люцерна ДХ 182-353 2990- 1290- 702- 349- 24-84 80-570

3380 1730 913 737

2-го года БУ 28,7 5.6 13,9 11,6 31.3 46,0 35,7

X 250 2730 1300 700 450 23,8 215

лук ДХ 170-320 2560- 1100- 600- 280- 6,8- 100-

2890 1500 800 630 39,6 330

Эу 34,0 5,4 14,1 10,5 35,0 56,2 28,6

X 220 2900 1400 780 550 14,8 230

капуста ДХ 120-320 2750- 1190- 670- 348- 2,3- 78-384

3100 1600 880 760 27,2

ЗУ 35,6 5,6 15,4 12,4 37,2 60,2 31,8

Пояснения к таблице 2: X - средние значения; ДХ - интервал варьирования; Бу - коэффициент вариации, %. Для поддержания влажности корнеобитаемого слоя почвы в пределах 0,8-1,0 от наименьшей влагоёмкости (0,8 РС - РС ) в различные по обеспеченности дефицита увлажнения (PW) годы потребовались оросительные

нормы (М) для ячменя, люцерны 1-го года, люцерны 2 -го года, овощных культур, соответственно 80-100 мм, 120-200 мм, 210-390 мм, 200-380 мм. Коэффициенты вариации оросительных норм для различных вегетационных периодов составили 30-40 %.

В среднем, за годы исследований наименьший коэффициент водопо-требления (Ке) для ячменя был получен на варианте " 1,5 М", он составил -90,6 мм/т, при суммарном водопотребленни 356 мм и урожае ячменя 3,93 т/га (таблица 3).

Таблица 3 - Составляющие водного баланса и урожайность ячменя (в среднем за 1985-1994 годы)

Варианты опыта Составляющие водного баланса и урожайность

Р, мм Vgr, мм м, мм AW, мм ЕТ, мм Y, т/га Re„ мм/т Rm мм/т

" 0,6 М " " 0,8 М " " М" " 1,2 М" " 1,5 М" 129 21 74 98 122 143 165 91 76 70 58 40 315 324 342 351 356 2,80 3,20 3,60 3,86 3,93 112,5 101,2 95,0 90,9 90,6 26.4 30,6 33.5 37,0 42,0

Средние значения "М",мм 129 21 120 67 338 3,48 98,0 33.92

Стандартное отклонение, С, мм 42,0 1,7 35,9 19,2 17,55 0,47 9,15 5,97

Коэффициент вариации, Sv, % 35,0 7,0 29,9 28,6 5,20 13,5 9,3 17,6

НСР = 0,33 т/га

В среднем за годы исследований для люцерны 1-го года жизни увеличение оросительных норм на 20-50 % от расчетной по варианту " М " приводило к достоверно незначимому увеличению урожайности на 4-5 %, а снижение на 20 - 40 % уменьшало урожайность на 11 % и 30 %. При снижении уровня влагообеспеченности от 280 до 100 мм суммарное испарение уменьшалось от 275 до 199 мм. Причем снижение ЕТ и Y было не адекватно снижению М. При уменьшении оросительной нормы на 60 % , происходило снижение урожайности на 30 %, а величины суммарного испарения на 25 % (таблица 4).

В структуре суммарного испарения на долю осадков приходилось 37 % , оросительной нормы 60 %, почвенных влагозапасов 3 % .

Таблица 4 - Составляющие водного баланса и урожайность посевов люцс] ны I -го года жизни (в среднем за 1985-1994 годы)

Варианты Составляющие водного баланса и урожайность

опыта ДШ, Р, м, ЕТ, У, Кет, Км

мм мм мм мм мм т/га мм/т ММ Г:

" 0,6 М " 10 80 20 100 199 4,80 41,5 20,2

" 0,8 М " 6 130 228 6,00 37,4 21,3

" М" -2 160 251 6,80 36,3 23,1

" 1,2 М " -30 190 260 7,10 36,3 26,9

" 1,5 М" -40 280 290 7,10 38,4 31,7

" М " , мм -10,6 80 20,0 161 242 6,4 38,4 24,8

О , мм 15,63 28,6 1,65 50,8 29,5 1,0 2,2 4,7

Зу , % 194 35,4 8,2 31,6 12,2 15,6 5,7 18,9

Число годо-пунктов: П= 50; НСРр.з= 0,69 т I га

Для люцерны 2-го года жизни в разные по обеспеченности дефицит естественного увлажнения вегетационные периоды, величины оросительны норм, необходимых для регулирования влажности почвы в диапазон 0.8РС - г С, изменялись от 460 мм при Р\У=5 % до 190 мм при Р№=75 %

Максимальная продуктивность люцерны обеспечивалась при регул! рованин водного режима корнеобнтаемого слоя почвы в предела 0,8 БС-РС ( вариант " М " ) во все годы исследований. Однако наиболе аффективно использовалась оросительная вода при снижении оросительны норм на 20 % от расчетной по варианту " М ".

Таблица 5 - Составляющие водного баланса и урожайность посевов лк церны 2-го года жизни (в среднем за 1985-1994 годы)

Варианты Составляющие водного баланса н урожайность

опыта ДW, Р, м, ЕТ, У, Кет, Км,

мм мм мм мм мм т/га мм/г мм/т

" 0.6 М " 89 190 196 50 533 50,9 10.5 3,8

0,8 М " 68 262 379 58.8 9,8 4,4

" М '* 66 339 653 65,8 9,9 5.2

" 1.2 М " 37 409 695 68,7 10,1 5,9

" 1.5 М" 10 480 739 68.5 10.5 7,0

" М " , мм 54 190 337 50 628 62.5 10,2 5,3

<У , мм 30,8 77,0 114 5,0 78 7,6 0,3 1,3

& . % 57.0 40,5 33,8 10,0 12,4 12,2 2,9 24,5

Н 1СРп,5 = 6,5 т / га

Коэффициенты расхода оросительной воды на единицу урожайности были минимальными, а величины их изменялись от 4,1 мм / т в годы с Р№=50 % до 4,9 мм / т- с Р\У = 25 % . Доля оросительной воды в водном балансе орошаемого поля снижалась от 75% в год с PW=25 % до 25,9 % в год с

Наибольшей изменчивости подвержены осадки, коэффициенты вариации для которых составили 26,9-30,8 % . Изменчивость дефицита влажности воздуха и испаряемости может быть отнесена к средней (коэффициент вариации 11-16%; 9,9-12,2 %, соответственно). Наиболее устойчивым показателем является температура воздуха, изменчивость которой за годы исследований характеризуется коэффициентом вариации 4,6-6,5 %.

В среднем за годы исследований снижение оросительных норм на посевах лука на 20 % и 40 % от расчетной ( вариант " М ") приводило к снижению испарения и урожайности соответственно на 8 и 12 % ; 10 и 18 % (таблица 6).

Таблица 6 - Составляющие водного баланса и урожайность лука (в среднем за 1990-1994 годы)

Варианты Составляющие водного баланса и урожайность

опыта Р, м, ЕТ, V, Кет, Км.

мм мм мм мм т/га мм/г мм/г

" 0,6 М " 201 130 40 370 15,6 23,7 8,3

" 0,8 М " 180 30 410 17,1 23,9 10,5

" М" 220 24 445 19,0 22,6 11,5

" 1,2 М" 260 1 460 19,3 23,8 13,5

"М" ,мм 201 198 23,8 421 17,8 23,5 11,0

СТ, мм 80,0 55,6 16,5 40,1 1,7 0,6 2,1

Бу. % 40,0 28,0 693 9,5 9,5 2,6 19,0

НСРо.5= 1,1 т/га

При изменчивости гидрометеорологических условий, характеризуемой коэффициентом вариации испаряемости - 8-12 % и осадков - 20-40 %, коэффициенты вариации составили для оросительных норм - 29-40 %; суммарного испарения - 7-10 %, урожайности - 9-12 %.

Для поддержания влажности расчетного слоя почвы в диапазоне 0,8РС-РС на посевах капусты потребовались оросительные нормы на варианте "М", в среднесухой год 340 мм, а в средневлажный 170 мм.

В ходе исследований установлено, что снижение норм как во влажные, так и в засушливые годы приводит к снижению урожайности и суммарного

испарения, но для конкретных периодов и различных сельскохозяйственны: культур степень снижения этих показателей неодинакова.

Таблица 7 - Составляющие водного баланса и урожайность посевов капус ты (средние за 1990-1994 годы)

Варианты Составляющие водного баланса и урожайность

опыта Р, м, AW, ET, Y, Кет, Км>

мм мм мм мм т/га мм/г мм/т

" 0,6 М " 250 138 29 417 38,4 10,80 3,60

" 0,8 М " 180 20 450 46,8 9,60 3,90

" М" 230 10 490 52,0 9,40 4,43

" 1,2 М" 280 0 530 53,4 9,90 5,20

"М" ,мм 207 14,8 472 47,7 9,9 4,3

О, мм 61,5 12,5 48,9 6,8 0,6 0,7

Sv, % 29,7 84,4 10,4 14,3 6,1

HCPo.j = 3,3 т / га

В среднем за годы исследований при изменчивости осадков, характе ризуемой коэффициентом вариации 24,6 - 30,1 %, оросительных норм - 35 44 %, коэффициенты вариации для суммарного испарения и урожайносп составили соответственно 5,2 %; 13,5 %. Этот факт явно указывает на отсут ствие прямолинейной связи между гидрометеорологическими условиями суммарным испарением и урожайностью сельскохозяйственных культур.

Наличие прямопропорциональной связи между величинами оросительных норм и изменением влагозапасов подтверждают практические равные коэффициенты вариации (V = 28,6 + 29,9 %). Даже для лет одной обес печенности дефицита естественного увлажнения пространственная вариацш осадков может быть отнесена к средней. Поэтому, при планировании орошения для конкретного временного интервала, нельзя оперировать средними показателями, а необходимо обязательно учитывать изменчивость величин испаряемости и естественной влагообеспеченности.

Величина испаряемости определяется теплоэнергетическими ресурсами территории которые зависят от прихода суммарной радиации, а соотношения между составляющими теплового баланса изменяются под влияние!,' погодных условий, биологических особенностей растений и наличия доступной влаги в почве. Установлено, что при приходе суммарной радиацт за вегетационный период 3,72-2,62 ГДж/м2, посевами люцерны поглощалось 2,86-1,98 ГДж/м2, теплопоток в почве не превышал 8 % от радиационного баланса. В условиях орошения тепло, поглощаемое посевами, расходуется I основном на испарение (ЕТ), затраты тепла на испарение ( V ) в среднем со-

ставляют 70-80 % от радиационного баланса ( R ). Турбулентный теплообмен ( В ) не превышает величин 20-25 % от радиационного баланса, при высокой интенсивности испарения может меняться по знаку, так как отдача тепла в атмосферу заменяется на приток тепла к деятельной поверхности.

При оптимальной влагообеспеченности, отчетливо проявлялось влияние биологических особенностей растений на соотношение составляющих теплового баланса. Значения параметра OL, характеризующего какая доля энергии затрачена на испарение, при оптимальной влагообеспеченности, изменялись от 0,44 - 0,66 в начальные фазы роста и развития до 0,72 - 0,80 в периоды наиболее активного накопления вегетативной массы. При изменении влажности почвы (W) от 0,6 влажности, соответствующей наименьшей влагоёмкости (Wfc),ao 0,9 Wfc, радиационный баланс увеличивается на 1015 %, затраты тепла на испарение на 300 %, а турбулентный теплопоток уменьшался на 400 % (рисунок 5).

Распределение составляющих теплового баланса при различном уровне увлажнения

МДж /м 14 -12 -10 -8 -6 -4 -

2 - _ Р_

О

R

В

Wcp = 0,6 WFC

Рисунок 5

|мд

1412 -10 -8 -б -I 4 2 0

ж /м

V

Wcp = 0,9 Wfc

V

При орошении происходит не только изменение микроклиматических условий, но и изменение естественно сложившегося водного режима, формирование новых количественных и качественных показателей влагообме-иа в зоне аэрации (Айдаров И.П., Аверьянов С.Ф., Кац Д.М., Poo С.С., Харченко С.И.).

С увеличением глубины залегания УГВ доля их участия во влагообме-;ie системы "почва-растение-атмосфера" снижается. Так, при глубине УГВ 1,0 м и среднесуточной испаряемости 6,3 мм (рассчитанной по радиацион-

ному балансу) подпитка корнсобитаемого слоя почвы грунтовыми водам? составила 2,20 мм/сут, а при щубинах залегания 1,5 м - 1,20 мм/сут; 2 м ■ 0,70 мм/сут. При испаряемости 2,98 мм, подпитка составляла 1,33; 1,00 0,60мм, соответственно для глубины залегания УГВ 1,0; 1,5;2,0 м.

Наряду с метеорологическими и водно-физическими факторами важную роль играет корневая система растений и степень развития раститель ного покрова. Так в фазу отрастания люцерны величины расхода грунто вых вод колебались в пределах 0,6-2,2 мм/<уг, при глубине их залегания 1,02,0 м, а в фазу начала цветения увеличивались до 0,87-3,15 мм/сут, при про чих равных условиях (таблица 8).

Таблица 8-Величины расхода грунтовых вод в зону аэрации люцерны

Расход грунтовых вод в зону аэрации,мм/сут

Фазы Испаряемость Глубина залегания УГВ, м

развития мм/сут 1,0 1,5 2,0

Начало 6,30 2,20 1,20 0,70

отрастания 2,98 1,33 1,00 0,60

Отрастание - нача- 6,50 2,40 1,50 0,90

ло бутонизации 3,00 1,48 1,10 0,74

Бутонизация 6,60 2,70 1,74 1,10

3,20 1,59 1,21 0,87

Начало цветения- 7,10 3,15 2,02 1,30

лолное цветение 3,74 1,88 1,28 0,87

Фильтрация за пределы корнеобитаемого слоя отмечается при превы шении влагозапасов этого слоя над влагозапасами, соответствующими наи меньшей влагоёмкости (ГС). Причем,этот процесс независимо от фазы раз вития растений, определяется величиной водоподачи и влажностью корне обитаемого слоя почвы.

Данные экспериментальных исследований указывают на качественн« однородное, но количественно неоднозначное снижение урожайности раз личных сельскохозяйственных культур при примерно одинаковом сниженш уровня увлажнения корнеобитаемого слоя почвы в вегетационный период Общее количество наблюдений, которые могут быть использованы дан установления закономерностей, составило для люцерны, ячменя - 50 годо пунктов; лука, капусты - 20 годо-пункгов, а число наблюдений за внутрисе зонной динамикой водного баланса для каждого годо-пункга включало о 10 до 20 показателей.

В результате появилась возможность сформировать массивы незави симых данных (внутрирядовой коэффициент корреляции не превышает 0,5 включающие от 20 до 50 показателей, характеризующих влияние гидроме

теорологических факторов и величин поливных норм на суммарное нспаре ние. урожайность, динамику водного режима различных сельскохозяйственных культур, как в целом за вегетационный период, так и за отдельны! фазы развития. На основании полученных данных были построены зависи мости "урожай-влагообеспеченность", для повышения универсальности ко торых использована система относительных координат.

где У о - показатель, представляющий собой отношение фактическо{ урожайности (Уф), к урожайности (Yop) при регулировании влажносп почвы в пределах 0,8 FC - FC в конкретном году;

Мо - показатель, представляющий собой отношение фактической ороси тельной нормы ( Мф ), обеспечивающей получение урожая Уф, к ороситель ной норме (Мор.), обеспечивающей поддержание влажности корнеобитае мого слоя почвы не ниже 0,8 FC - FC в конкретном году и получение уро жаиностн Yop.

Аналитические зависимости характеризуются высоким корреляцион ным отношением, изменяющимся от 0,87 до 0,98, хотя область их примене ния ограничивается диапазоном изменения величины Мо от 0,6 до 1,5. npi диапазоне изменения влажности почвы в метровом слое от 0,6 FC до FC т.е. тем диапазоном, в пределах которого располагаются эмпирические точ ки, послужвшие основой для построения зависимостей (рисунок 6).

На основании экспериментальных данных получен комплекс матема тических зависимостей, описывающих влияние влагообеспеченности посе вов на суммарное испарение, для конкретных фаз развития сельскохозяй ственных культур.

Его - испарение с водной поверхности испарометра ГГИ-3000, мм; 7/рс влагозапасы почвы, соответствующие наименьшей влагоёмкости, мм.

Из всех типов зависимостей наилучшая сходимость эксперимента ль ных и теоретически рассчитанных показателей наблюдается у регрессион ных зависимостей параболического типа, корреляционное отношение да; которых было наибольшим, и составляло, например для люцерны 0,! (рисунок 7).

Диапазон применимости полученных уравнений изменяется в преде лах от

Yo = Cto + (Xi Мо + ОС.2 Мо 2

(1

(2

V 2\vFr ;

— =0.6 до

1,0 1.0 0.8 0,6 0.4 0.2

Уо

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ "УРОЖАЙНОСТЬ - ВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

ячмень

Уо = 0,025 +1,89Мо- 0,71 Мо2 ■Л = 0,95

Мо

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

•Уо

многолетние травы

1.0

0.8 0,6 0.4 0.2

Уо = 0,219 +1,249 Мо - 0,468 Мо2 т! = 0,93

Мо

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

•Уо

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

овощные культуры

Уо = 0,212 +2,080 Мо - 0,875 Мо2 •Л = 0,95

Мо

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Рисунок 6

Зависимость суммарного испарения люцерны от продуктивных

влагозапасов

0,3

0,6

ET Eco

а) Отрастание

IL-^as^J-QM^)' «il™

2W,

FC

0,5 0,6

1.0

0,8

0,6

ET Eco

0,7 0,8 0,9 б) Бутонизация

1,0

ET Eco

= 0,038+ 2,30(™)-U7fe)2

WH + WK

2W,

FC

1,4 1,2 1,0

0,8

0,5

Рисунок 7

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 в) Начало цветения

ET Eco

1.0

ET Ею

- 0,186 +1,74^5")-Цб^^гс/ 2Wfc

0,6

0,7 0,8

0,9

1,0

и определяется тем диапазоном, в рамках которого располагались эмпирические значения независимой переменной, послужившие основой для построения зависимостей.

Количественно, влияние изменения почвенных влагозапасов на суммарное испарение дня различных этапов онтогенеза сельскохозяйственных культур неодинаково, о чем свидетельствует тот факт, что эмпирические параметры уравнений имеют разные значения для разных фаз развития расте-[ ний, при одинаковых условиях увлажнения. Результаты экспериментальных исследований показывают, что реализовать водосберегающие режимы можно только на основе комплексной информации о агрометеорологической и гидрологической обстановке в конкретных ландшафтах, обязательно с учетом биологических особенностей возделываемых культур, изменчивости гидрометеорологических условий в пространстве и времени, и нелинейного характера взаимодействия внешних и внутренних факторов, определяющих водный режим, суммарное испарение и урожайность посевов

5 ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ И ТОЧНОСТИ НОРМИРОВАНИЯ ОРОШЕНИЯ

Модели для управления орошением должны обеспечивать решение следующих задач: расчет динамики запасов влаги в почве каждого поливного участка, определение оптимальных эксплуатационных режимов орошения на отдельных полях и для севооборота и хозяйства в целом, выбор экономически целесообразных режимов орошения при дефиците водных, энергетических и материально-технических ресурсов, расчет возможных потерь воды в зависимости от технического уровня оросительных систем, технологии и техники полива (Кружнлин И.П., Добрачёв Ю.П., Голованов А.И., Галямин Е.П., Остапчик В.П.). Проведенные информационно-аналитические, системно-методические и экспериментальные исследования показывают, что для реализации водосберегающих, природоохранных технологий в информационно-управляющей системе должны присутствовать блоки для оценки влияния на экологическую обстановку различных технологий орошения, выбора альтернативных вариантов и определения степени риска при их реализации (рисунок 9). Анализ функциональной структуры модели позволил сформулировать положения, послужившие основой для совершенствования информационного обеспечения.

1 Ни одна модель не может бьггь использована для управления без оценки ее соответствия естественным процессам, протекающим на полях, информативности и устойчивости параметров, дифференциации параметров и констант, входящих в модели, для условий конкретных агроландшафтов.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ

Рисунок 8

2 Для обеспечения оптимальных управленческих решений необходимо наличие объективной и точной информации о рабочих параметрах всех звеньев управляющей системы, о природных и технологических процессах, протекающих на каждом поле. Состав информационного обеспечения должен включать параметры, поддающиеся учету в условиях производства и определению апрометеослужбой и гидромелиоративными партиями.

3 Метод водного баланса применим для расчета динамики влагоза-пасов и оперативного планирования орошения только в том случае, когда имеются надежные данные о составляющих водного баланса, при качественном информационном обеспечении.

4 Для улучшения качества информационного обеспечения, необходимо проведение исследований структуры и соотношений между элементами водного баланса с оценкой точности измерений; их изменчивости, в связи с изменчивостью гидрометеорологических условий.

При оценке изменчивости биоклиматическнх коэффициентов па комплексную характеристику влияния метеорологических факторов на суммарное испарение были приняты испарение с водной поверхности и дефицит влажности воздуха.

Биоклиматическне коэффициенты определялись.на основе экспериментальных данных о величинах суммарного испарения (ET), испарения с водной поверхности (Eco), дефицита влажности воздуха ( dr), динамике влаго-запасов и сумме температур за расчетные периоды, по уравнениям:

ET

кесй=^- • (3)

Eco

ET

' (4)

где Kew h Kdf - биоклиматические параметры, в мм/мм; мм/мб.

Биоклиматическне коэффициенты,определенные по сумме дефицитов влажности воздуха, характеризуются высокой изменчивостью с коэффициентом вариации 23,8 %, при ошибке среднего - 11,2 % . Изменчивость биоклиматических коэффициентов, определенных по испарению с водной поверхности, менее значительна и может быть отнесена к средней, коэффициент вариации составил в среднем 17 %, ошибка среднего - 8,2 % .

При изменчивости к.Еш , характеризуемой коэффициентами вариации от 10,8 до 24,4 % (в среднем 17,0 %) коэффициент вариации влзгозапасов изменялся от 4,5 % до 15,1 % (в средний - 6,5 %), а теплообеспеченность от 8,14 % до 20,9 % ( средний-12,9 %). При оптимальном уровне увлажнения, по теплообеспеченности расчетные периоды различались в большей степени и это объясняет одну из причин изменчивости биоклиматическнх коэффициентов.

Снижение уровня влагообеспеченности однозначно привело к увеличению изменчивости биоклиматических коэффициентов, при прочих равных условиях.

Очевидно, что одной из причин снижения качества информационного обеспечения технологий управления орошением, повышающей опасность принятия неоптимальных управленческих решений, является изменчивость параметров моделей отражающих связь внешних условий с биоклиматическими характеристиками растений и суммарным испарением.

В работах Алексеева В.И., Данильченко Н.В., Кузника НА., Константинова А.Р., Струнникова В.В., Химина Н.В., Циприса Д. Б., Черемисинова А.Ю. указываются следующие причины изменчивости: отличие погодных условий конкретного года от "средних" за период исследований; различный уровень влагообеспеченности в одни и те же фазы развития растений; использование в моделях прямолинейной связи между ET и Eco, некорректная постановка экспериментов; репрезентативность данных метеостанций.

Исследования, проведенные вышеперечисленными авторами позволяют снизить или устранить влияние этих факторов, заметно улучшить условия применения моделей для определения суммарного испарения.

В основном совершенствование эмпирических моделей сходится к повышению достоверности исходной информации, получению региональных коэффициентов, оценке их изменчивости от тепловлагообеспеченности расчетного периода. Но здесь, по мнению автора, не учитывается еще один фактор изменчивости. Это то, что при постановке экспериментов не соблюдается фактор "единственного различия".

Для определения коэффициентов по стандартным методикам, используют экспериментальные данные, полученные в разные годы, объединяя их для отдельных расчетных периодов (например для одной фазы развития культуры, но в разные годы исследований). Но дело в том, что даже при соответствии "средних" климатических характеристик разных лет, изменчивость их в каждый конкретный год значительно различается (например, при одинаковых среднесуточных температурах максимальные и минимальные отклонения могут существенно разниться).

Результаты экспериментальных исследований показывают, что даже при сходных средних агрометеорологических показателях, в разные годы, их режим распределения и изменчивость могут отличаться, что сказывается на росте и развитии растений, а следовательно и суммарном испарении. При экспериментальном определении параметров моделей этот фактор необходимо учитывать. Существующие стандартные методики не дают возможность количественно оценить влияние этого фактора изменчивости.

Разработана методика, позволяющая получить количественные показатели изменчивости параметров моделей ( а.с. № 1743479), сущность которой в том, что при организации опытного участка его делят на два блока.

На одной части проводят исследования по стандартным методикам, а на другой части проводят высев сельскохозяйственных культур со сдвигом во времени, что позволяет получить разные фазы развития растений на едином метеорологическом фоне, при одинаковом режиме распределения факторов внешней среды. Для реализации этой методики разработан прибор (а.с. №1685314)по определению величины испарения с водной поверхности за короткие промежутки времени и оценки ее внутрисуточного режима, что не позволяли выполнить существующие испарители (11 'И-3000 и испаритель класса А). В отличие от существующих методик ( Алпатьев С.М., Доспехов БА., Остапчик В.П., Столяров А.И., Клейн Д.) новый метод дает возможность исключить искажающее влияние на ЕТ и биоклиматические коэффициенты не только различий влагообеспеченностн, минеральной питании, но и такого, ранее не учитываемого фактора, как изменчивость гидрометеорологических условий в разные годы.

Во многих моделях в качестве показателя, характеризующего комплексное влияние климатических факторов на суммарное испарение, используется величина испаряемости ( Есо ), за которую ряд авторов рекомендует принимать испарение с водной поверхности (Алпатьев А.М., Иванов Н.Н., Зубенок JI.C., Остапчик В.П.).

В настоящее время массовые наблюдения за испаряемостью не ведутся, на сети метеостанций измеряются температура, влажность воздуха, скорость ветра, в отдельных случаях испарение с водной поверхности испарителя ГТИ-3000. Поэтому, большое значение для качественного информационного обеспечения моделей управления орошением имеют правильный выбор косвенного метода расчета испаряемости по данным стандартных метеорологических наблюдений.

На основании обработки данных наблюдений сети метеостанций получены зависимости для расчета Есо, за которую принято испарение с водной поверхности испарителя ГГИ-ЗООО:

Е<0 = AdB , (5)

Есо = A,dB,t , (6)

где A,BAi,Bi - эмпирические параметры.

Сравнение полученных региональных зависимостей с методиками, предложенными Ольдекопом Э., Ивановым Н.Н., Селяниновым Г.Т., Остапчиком В.П., показало, что более точные результаты получаются при расчетах по зависимости автора (б), методу Остапчика В.П. и Иванова Н.Н., корреляционные отношения соответственно составили 0,88; 0,69; 0,80.

Применение уравнения (6) для расчета испаряемости позволили сократить погрешность при расчетах Ей) на 10-15% по сравнению с другими методами, в 66 % случаев ошибка не превышала 0,5 мм/сух, а в 85 %

37

Еооф

Сопоставление измеренных (Еоэф) и расчетных (Ек>т) величин испаряемости по уравнениям Еооф

Ольдекопа Э.

10 8 614 2

О 2 Есоф

10 8 6 4 2

0 2 Еюф

10 8 6 4 2

0 2 Рисунок 9

Я = 0,5

4 6 8

10 12

10 8 6 4 2

Емф

10 8 6

4 •

Иванова Н.Н.

К = 0,82

0 2 Еюф

Ю-

8 •

4 6 8 10 12 Остапчика В.П.

Я = 0.69

.Еа>т

4 6 8 10 12 Уравнение (6)

К = 0,88

Его1'

4 6 8 10 12

Е

2

0

2

случаев - 1 мм/cyr. Данная расчетная зависимость может быть рекомендо вана для применения в системе оперативного планирования поливов в зо» влияния метеостанций.

Основной информацией для выбора решений о нормах и сроках по лива служит текущая информация о влажности почвы, которая определяете на основе решения уравнения водного баланса (7).

Wk = Wh + Р + М + Vgr - Vf - ЕТ (7

Такие составляющие уравнения как суммарное испарение (ЕТ), вели чины подпитки грунтовыми водам (Vgr) и инфильтрации (VI), испаряемосл (Ею) определяются на основе данных агроклиматических наблюдений Причем, как указывает анализ литературных источников (Алпатьев A.M. Константинов А.Р., Остапчик В.П., Харченко С.И.) и результатов экспери ментальных исследований, для определения ЕТ необходим учет влияния н; его интенсивность фактической влажности почвы.

Формула Харченко С.И. дает возможность определить величину рас хода грунтовых вод на испарение за короткие промежутки времени. Он; связывает интенсивность подпитки с интенсивностью испарения, физиоло гической активностью растений, но формула нуждается в уточнении пара метров для региональных условий и дня соответствующих конкретных сель скохозяйственных культур. Формула имеет вид:

,, Ею

где Еа> - испаряемость, рассчитанная по радиационному балансу, мм; Н глубина залегания грунтовых вод, м; е - основание натурального логариф ма; П1 - параметр, зависящий от фаз развития растений и воднофизически: свойств почв.

Математическая обработка экспериментальных данных позволил! получить значения параметра Ш для различных фаз развития люцерны.

При использовании в расчетах уточненных параметров "т", устано влено, что их изменчивость меньше на 20-30 % по сравнению с изменчи востью неоткорректированного параметра "ш", а степень дифференциаци! на протяжении вегетационного периода выше. Если параметр "ш" по фор муле Харченко С.И. изменяется за вегетацию от 1,0 до 0,8, то уточненны автором параметры от 0,15 до 0,70, что в общем более соответствует изме нению гидрометеорологических условий и физиологических характернсти растений в процессе вегетации. Снижение стандартного отклонения в уточ ненной автором формуле на 30%, по сравнению со стандартным отклоне ннем в формуле Харченко С.И., указывает на то, что точность расчета может быть повышена на 30 %.

Инфильтрация за пределы корнеобитаемого слоя отмечается при превышении влагозапасов этого слоя над влагозапасами, соответствующими наименьшей влагоемкости и водоподаче, превышающей суммарное испарение. Причем этот процесс определяется величиной водоподачи, теплоэнергетическими ресурсами, характеризуемыми испаряемостью, и запасами влаги в зоне аэрации.

Экспериментальные данные о величинах фильтрации апроксимирова-ны уравнением:

Vf = -1,07 + 0,041( М + Р ) + 1,44 — - 0,0128 Ею , (9)

coFS

Уравнение (9) позволяет количественно оценить инфильтрацию за различные расчетные периоды в зависимости от величины водоподачи на поливной участок, влагообеспеченности посевов и климатических факторов, характеризуемых испарением с водной поверхности.

Величины инфильтрации изменчивы как во времени, так и в пространстве. Главными причинами изменчивости являются изменчивость вла-гонасыщения зоны аэрации и изменчивость гидрометеорологических условий. Наиболее высокая точность расчетов возможна лишь тогда, когда условия тепло-влагообеспеченности вегетационного периода соответствуют тем, при которых получены аналитические зависимости и их параметры. Следовательно, необходимо получение серии математических уравнений и графиков, описьгоаюших влияние изменения гидрометеорологических и гидрологических факторов на величину инфильтрации и расхода грунтовых вод на испарение. Такие зависимости позволяют достаточно точно, с ошибками не превышающими 15 %, рассчитывать величины влагообмена в зоне аэрации при многообразном сочетании условий и теплообеспеченности вегетационного периода (рисунок 10).

Анализ научно-технических материалов [ Будыко М.И., Константинов А.Р., Остапчик В.П., Химии Н.М. и др.] указывает на реальную возможность повышения точности расчетов по моделям за счет учета количественной изменчивости биоклиматическнх коэффициентов в зависимости от метеорологических условий и влагообеспеченности посевов в конкретные фазы развития растений. Действительно, в существующих моделях вводятся редукционные коэффициенты, которые учитывают депрессию испарения при снижении влагообеспеченности посевов, но без учета конкретных фаз развития растений, что в принципе не верно, с точки зрения физиологии растений, тле. на разных этапах онтогенеза недостаток влаги в почве будет по-разному влиять как на темпы прироста биомассы, так и на интенсивность массо-энергообмена растительного покрова [Константинов А.Р., Харченко С.И.].

40

ПОВЕРХНОСТИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЛАГООБМЕНА В ЗОНЕ АЭРАЦИИ.

' V,» '

Рисунок 10

Зависимость между суммарным испарением и влагозапасами почвы, высокой степенью достоверности описываются уравнениями параболы:

ЕТ

—- = а0+а, Ьсо

{\\Т , ХМ \ {\тг , лиг Л2

\УН + \УК

wн + wк

(10

V 2\УРС / V 2\УРС )

где неизвестными величинами являются ЕТ, Wк. Однако уравнение перво! степени с двумя неизвестными имеет бесчисленное множество решений.

Поэтому, для однозначного решения необходимо использовать си стему двух уравнений, где в качестве второго уравнения выступает теоре тически обоснованное уравнение водного баланса:

ЕТ = \Ун - \Ук + р + М +У|*г - , (11

Таким образом, имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными, которое решается стандартными методами математики с получением в ито ге зависимости:

-А2±Л?-4А1А3

ЕТ =-М- , (12

2А1

где А|, Аг, Аз - комплексные параметры, учитывающие влияние на Е1 климатических условий, водного режима и биологических особенности растений.

Комплексные параметры определяются по зависимостям:

AI=a2/4W2Fc , (13;

Аг=а,/2 +a2(2Wн +Р+М+У§г -УГ) 12W2Fc+l/Eco (14; Аз = -осо - сц( 2Wн + Р+ М +У§г - УО/ 2\УГС-

- а2(2Wн + Р+ М + У^ - VI) / 4W2Fc , (15;

Получены численные значения параметров ОСо, ОН, аг для ячменя люцерны, капусты, лука.

Главным фактором определяющим соответствие методики условиям е« применения, является степень точности оценки суммарного испарения и динамики почвенных влагозапасов.

Для проверки точности разработанной методики, была произведена сравнительная оценка ее с общепринятыми методами расчета суммарного испарения.

В качестве основных расчетных зависимостей применялись аналитические выражения:

ЕТ = к£хЕю , (16;

рт, , у' пт

42

Сравнение фактических ( Wкф) и расчетных ('№кт) влагозапасов почвы

Уравнение 16

я = 0,54 п = 0,90

400

300

\Укт

200

Wкф

400

300

200

200 300

Уравнение 17

Я = 0,76

400

Л = 0,70

\Укф

400

300

200 300

Уравнение 18

И = 0,94

400

Л = 0,35

200 300 400

Рисунок 1 1

*=a0+a/W»+WK

'wn + w,

+ a2

2W,

(18)

FC J

Eco u \ 2WFC

Рассчитанные по уравнениям (16-18), величины ET сравнивались с фактическими данными, полученными Егоровой ГА. в 1970 и 1971 годах при исследовании режимов орошения и водопотребления люцерны в сходных гидрометеорологических условиях. Ошибки при определении конечных влагозапасов за отдельные интервалы времени колебались от 1 до 20 % при расчетах по уравнению (16),от 0,5 до 16 % при расчетах по уравнению (17) и от 1 до 5 % при расчетах по уравнению автора (18). Общие коэффициенты корреляции при расчетах по уравнениям (16,17,18) составили, соответственно 0,54; 0,76; 0,94, что свидетельствует о хорошем соответствии вычисленных по уравнению (18) величин конечных влагозапасов измеренным (рисунок 11).

Коэффициент Т], являющийся критерием качества расчетных методов, составил 0,94 при расчетах по формуле (16) и превысил 0,8, это говорит о том, что методика может давать существенные ошибки. При расчетах по формуле ( 17) коэффициент Т| = 0,76 и попадает в диапазон значений 0,5-0,8. Следовательно эту методику можно признать удовлетворительной. При расчетах по формуле (18), предлагаемой автором методики, Г) = 0,35 его величина меньше 0,5. Следовательно, методику расчета можно признать хорошей в соответствии с методикой по оценке качества прогнозов, изложенными в нормативном документе: "Наставление по службе прогнозов".

Аналитическая зависимость (18), разработанная на основе теоретически обоснованных уравнений с использованием эмпирических параметров, позволяет учесть влияние изменчивости метеорологических условий, влаго-обеспеченности посевов на суммарное испарение в конкретные фазы развития сельскохозяйственных культур.

Применение новой методики для нормирования орошения повысит точность расчетов суммарного испарения, динамики влагозапасов и поливных норм, оперативного планирования поливов, а следовательно и эффективность управления использованием водных ресурсов.

6 КАЧЕСТВЕННОЕ УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛИВА КАК ФАКТОР РЕАЛИЗАЦИИ ВОДОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ОРОШЕНИЯ

Экологические проблемы орошаемого земледелия, кроме низкой эффективности управления, обусловлены также несовершенством технологий и техники орошения, несоответствием параметров искусственного дождя агроэкологнческим требованиям. Повышение качества полива приводит к

снижению ирригационной эрозии почв, снижению потерь воды на сток инфильтрацию, а в результате к повышению эффективности орошен (Багров М.Н., Москвичёв ЮА., Кузнецов М.С., Поляков Ю.П., Полуэкп Е.В., Швебс Г.И.].

Совершенствование технологии и техники полива дождеванием ос ществляется в направлении снижения интенсивности водоподачи, повьш ния качества и равномерности полива, разработки систем комбинирован« го и мел кокапельного орошения [ Бородычёв В.В., Губер К.В., Исаев A.I Колганов A.B., Колесник Ф.И., Лебедев Б.М., Лямперт Г.В., Носенко Н.< Остапов И.С.]

Как одно из перспективных направлений совершенствования ре* мендуется переход на низконапорные дождевальные насадки, переобору! вание ими серийных дождевальных машин [ Афанасьев В.М., Алфер Ю.В., Горбачёв A.C., Морозов М.И., Кайдалов Г.В., Луцкий В.Г.]

Инженерно-технические решения по низконапорным насадкам i правлены на повышение эксплуатационной надежности, улучшение ка< ственных характеристик дождевого облака, повышение степени унифш ции конструкций, обеспечение автоматического регулирования расхода параметров газожидкостного факела.

Анализ теоретических разработок и результатов экспериментальн исследований различных авторов позволил установить, что все решен по совершенствованию технических средств орошения, должны быть i правлены не только на создание высокопроизводительной дождевальн техники, но н обязательно на создание техники, формирующей искусств« ный дождь близкий по своим качественным характеристикам к ecrecTBi ным осадкам "средней силы", с каплями диаметром 0,5-1,0 мм, интена ностью до 0,25 мм/мин, равномерностью распределения по площади с ксх фициентом не ниже 0,9 и удельной мощностью до 0,12 Вт/м2.

Как показывают расчеты с применением уравнений теории удара, г гидравлическом способе распиливания, применяемом в современных Д уменьшая диаметр капель и увеличивая скорость их движения, увеличила ся эрозионное воздействие на почву за счет увеличения скорости движет капель. Самой эффективной противоэрозионной мерой явилось бы сни; ние скорости движения капель, но при гидравлическом способе это моз быть достигнуто при снижении напора, а следовательно и производите ности ДМ. Теоретические расчеты и информационно-аналитические исс дования показали, что для сохранения необходимой производительно ДМ, при снижении эрозионного воздействия искусственного дождя, не ходима разработка конструкций дождевальных аппаратов, основанных применении, в дополнение к гидравлическому способу распыливания, д гих способов известных в данной области техники. Из них наиболее п

спективными являются пульсационный, с предварительным газонасыщени ем струи или с использованием эффектов, возникающих при активирована колебательных процессов в потоке жидкости. Варианты конструкций аппа ратов, реализующие пульсационные способы распиливания, были предлс жены автором, новизна технических решений которых подтверждена автор скими свидетельствами и патентами РФ.

В лабораторных условиях испытывались каскадные ударно-струйны насадки (вариант В, С) и стандартная дефлекгорная насадка (вариант А] Наилучшие показатели отмечены у каскадной ударно-струйной насадки использованием эффектов, возникающих при колебательных процесса: (вариант В). Коэффициент эффективного полива Кэф = 52 % у насадки в ва рианте (В), у стандартной (вариант А) - 42 %, а коэффициент равномерносп по Кристиансену, соответственно 0,51 и 0,37; крупность капель дожд уменьшилась в 135 раза в варианте В, по сравнению с вариантом i (рисунок 12).

В производственных условиях проведены исследования работы се рийной ДМ "Фрегат" (ДМ-1) и переоборудованной низконапорными на садками (ДМ-Н) при поливе кукурузы на зерно. Равномерность полива п< Кристиансену составила для ДМ-1 - 0,435; ДМ-И - 0,71; потери напора п< длине соответственно 45 % и 39 %. Средний диаметр капель уменьшился ; ДМ-И в 3-4 раза по сравнению с ДМ-1. Расход оросительной вода! на еда ницу продукции, снизился от 28,8 мм/г до 25,4 мм/г.

Проведённые научные исследования позволили разработать комплек мероприятий для процесса водораспределения, включающий усовершен ствованную технологию регулирования водного режима, новые конструк ции поливной техники, повышающие эффективность использования вод ных ресурсов для орошения. Прогноз перспектив эволюции систем н; основе законов развития техники показывает, что ГМС, отвечающие в пол ной мере концепции экологических мелиорации, кроме максимальной замк нутости водооборота, должны за счет создания блоков регулирования вза имодействия с природной средой, систем комплексного автоматической управления технологическими процессами обеспечить комплексно управление процессами водоподачи, водораспределения и водоотведения i сельскохозяйственных полей, используя принцип обратной связи.

Такой подход к решению проблемы позволит решить задачи по прак тическому созданию экологически ориентированных ГМС, технически со вершенных и одновременно гибко вписывающихся в природные комплек сы.

Рисун-ок <2.

47

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Для предотвращения возникновения и развития негативных экологических процессов необходима разработка гидромелиоративных систем, комплексно управляющих мощностью и направлением потоков вещества, воды, энергии и информации в процессе водоподачи, водораспределения и водоотведения, обеспечивающих максимальную замкнутость водного баланса агроландшафтов. Управление осуществляется на основе компьютерных информационных технологий, систем поддержки принятия решений и автоматического регулирования при минимизации критериев, характеризующих затраты материально-технических, энергетических и трудовых ресурсов, на информационное обеспечение и максимизации критериев эрго-номичности, эстетичности, безопасности, надежности, экологичности.

2 Сформулированы принципы эволюционного развития и функционирования экологически ориентированных гидромелиоративных систем. Теоретически обоснована новая структурная схема, включающая подсистему регулирования взаимодействия с природной средой и предложены альтернативные варианты конструктивной компоновки ее узлов.

Разработан новый комплекс инженерно-технических решений дня отдельных подсистем гидромелиоративной системы и техники полива; новые водосберегающис технологии регулирования водного режима, соответствующие цикличности природных процессов и способствующие снижению потерь воды на инфильтрацию и сброс. Научная и техническая новизна разработок подтверждена авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации.

3 Проведен функционально-структурный анализ и установлена главная подсистема в составе гидромелиоративной системы - подсистема водораспределения (процессы регулирования водного режима почвы), которая состоит из двух составляющих: производственного процесса и технологии информационного обеспечения и управления производственным процессом.

Высокая эффективность подсистемы управления водораспрсделением обеспечивается за счет учета вероятности ого характера гидрометеорологических условии, оценки степени риска при выборе альтернативных управленческих решений и реализации принципов обратной связи на всех этапах технологического процесса.

4 Для решения задачи оптимального планирования орошения при дефиците водных ресурсов, на основе экспериментальных данных, впервые получены универсальные уравнения, количественно характеризующие связь "урожайность - влагообеспеченность" и "суммарное испарение - урожайность" для люцерны, ячменя, овощных культур. Математические зависимости имеют высокие показатели соответствия расчетных параметров эмпирическим, с корреляционным отношением 0.85-0,95.

5 Информационно-аналитические и экспериментальные исследования позволили разработать новую полуэмпирическую модель для расчета суммарного испарения, учитывающую комплексный характер гидрометеорологической информации, выполняющую прогнозную и оперативную оценку динамики водного режима посевов. Для применения информационно-советующей системы определены параметры и константы, обеспечивающие высокую степень соответствия модели почвенно-климатическим и организационно-хозяйственным условиям объекта управления. Результаты опытно-производственной проверки показали, что точность расчетов повышается на 20-30 % по сравнению с существующими моделями.

6 Впервые, для почвенно-климатических условий полузасушливой степной зоны Северного Кавказа получен комплекс математических зависимостей для определения инфильтрации в грунтовые воды и испаряемости по данным стандартных гидрометеорологических наблюдений, позволяющих повысить точность оценки их величин на 10-15 процентов по сравнению с существующими методами. Кроме того, для расчета подпитки грунтовыми водами зоны аэрации уточнена методология, разработанная Харчсн-ко С.И.

7 На основе теоретического анализа научно-методических материалов. обобщения экспериментальных данных с использованием принципов планирования эксперимента, разработана структурная схема организации и новая методология проведения полевых опытов по совершенствованию процессов регулирования водного режима орошаемых агроценозов. Разработанные положения позволяют более строго выполнять принцип "единственного различия" и устранять искажающее влияние вероятностного характера гидрометеорологических факторов при экспериментальном определении параметров моделей.

Установлены закономерности влияния изменчивости гидрометеорологических факторов на суммарное испарение, предложена конструкция испарителя, который может быть использован при воднобалансовых исследованиях. Метододогия и конструкция испарителя защищены авторскими свидетельствами РФ.

8 Обоснованы оптимальные агроэкологические характеристики искусственного дождя, для достижения которых разработаны новые конструкции низконапорных дождевальных насадок, позволяющие реализовать эффекты, возникающие при колебательных процессах, принципы иуль-сационного н комбинированного распыливания. Экспериментально получены количественные параметры, позволяющие рассчитать схемы размещения насадок на водопроводящем поясе различных типов дождевальных машин.

9 Переоборудование широкозахватных дождевальных машин, работающих в движении по кругу, ннзконапорными дождевальными насадками позволяет значительно повысить равномерность полива и эффективность

использования оросительной воды. Коэффициент равномерности полива по Кристиансеиу увеличивается от 0,44 до 0,71, а расход оросительной воды на единицу продукции уменьшается на 25 % по сравнению с базовой машиной и составил 3,4 мм/г.

10 Совершенствование подсистемы водораспределения, включающее улучшенную технологию управления орошением, повышение качества информационного обеспечения, конструкций поливной техники и процесса полива позволяет повысить эффективность использования оросительной воды на 20-30 %, снизить влагообмен корнеобитаемого слоя почвы с грунтовыми водами, в рамках уже существующих гидромелиоративных систем.

Экономия оросительной воды составила, в среднем не менее 200 м3/га или 25 м3 на тонну продукции.

11 В перспективе для практического создания идеальной, экологически ориентированной ГМС, необходимо проведение комплексных исследований при сотрудничестве всех научных организаций, специализирующихся в областях гидромелиорации, орошаемого земледелия, природоохраны по повышению экологической эффективности ГМС, степени приспособления и взаимокоординации ее структурных элементов с подсистемой, позволяющей целенаправленно управлять взаимодействием с природной средой на всех этапах технологического процесса.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПЮИЗВОДСТВУ

1 При оперативном планировании поливов применять комплекс математических зависимостей для расчета суммарного испарения, испаряемости, величин вертикального влагообмена в зоне аэрации, представленные в диссертационной работе.

2 В условиях дефицита водных ресурсов и высокой стоимости энергетических ресурсов экономически оправдано 20 % снижение оросительных норм для ячменя, люцерны, что обеспечивает максимальный выход продукции на 1 м3 затраченной оросительной воды.

3 Провести переоборудование широкозахватных дождевальных машин "Фрегат", заключающееся в замене серийных дождевальных аппаратов на низконапорные секторные или каскадные ударно-струйные насадки.

4 При реализации процесса полива выбирать режимы водоподачи, обеспечивающие максимальную замкнутость водного баланса орошаемых полей, рекомендуемые автором.

5 При проектировании ГМС и оценке эффективности орошения использовать полученные автором зависимости "урожайность-влагообес-печенность", "суммарное испарение-урожайность".

Из 65 опубликованных работ, включающих 27 авторских свидетельств, патентов РФ и положительных решений ВНИИГПЭ на изобретения, одну монографию, основными являются:

1 Влияние влагообеспеченносги на водопотребление и урожай ячмеш // Рациональное использование орошаемых земель и программирована« урожаев. - Новочеркасск, 1986, - с.ПЗ-115

2 Определение эвапотранспирации люцерны расчетными методами / Интенсивное использование мелиоративных земель Северного Кавказа. Новочеркасск, 1987, - с. 51-54 (в соавторстве).

3 Прогноз теплообеспеченности вегетационного периода и испаряемости // Интенсивное использование мелиорируемых земель Северногс Кавказа. - Новочеркасск, 1987 - с. 48 -51.

4 Эффективность глубокого рыхления // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия - Новочеркасск, 1987. - с. 24-27.

5 Оценка расчетных методов определения эватранспирации люцернь II Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель - Москва, 1987, е. - 101-102.

6 Временные рекомендации по проведению глубокого рыхлени? уплотненных и засоленных почв в зоне орошения / ЮжНИИГиМ, Новочеркасск, 1987, - 24 е.; Утверждены на заседании секции Гидротехники V Мелиорации Северо-Кавказского НЦВШ (в соавторстве).

7 Нормирование водопотребносги при орошении II Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. Повышение эффективности ис пользования водных ресурсов в сельском хозяйстве. Новочеркасск. - 1989, 21 с. (в соавторстве).

8 Повышение эффективности орошения с обеспечением охрань окружающей среды II Материалы Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов. - Краснодар, 1990. - с. 34 (в соавторстве).

9 Улучшение использования водных ресурсов // Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа. - Новочеркасск, 1990. - с. 12.

10 Повышение эффективности использования оросительной воды / Проблемы мелиорации и экологии Юга России. - МСХиП РФ. - Новочер касск, 1993.- с. 40-41 (в соавторстве).

11 Типовой технологический процесс по возделыванию кормовьи культур на мелиорированных землях II Рекомендации I СтаврНИИГиМ Ставрополь, 1993,- 78 с. (в соавторстве).

12 Приемы предотвращения водной эрозии при поливе ДМ "Фрегат' II Тез. докл. научно-теоретической конференции. Проблемы ирригации I Ростовской области - Новочеркасск, 1995.- с. 92.

13 Устройство для определения величины испарения, норм и сроко! полива II Технология мелиорации земель эксплуатация мелиоративных си стем-Кн.1.,вып. 15,-Москва, 1993.-е. 31.

14 Повышение эффективности регулирования водно-воздушного ре-кима орошаемых земель II Материалы Всероссийской научно-трактнческой конференции. Экологические аспекты эксплуатации гидроме-шоративных систем - Новочеркасск, 1996.- с. 47.

15 Водосберегающие и малоэнергоемкие технологические процессы прошения на гидромелиоративных системах // Тез.докл. конференции: Эхрана природной среды при эксплуатации ГМС, НГМА - Новочеркасск, 1996.- с. 52-55 (в соавторстве).

16 Улучшение качества дождя серийных дождевальных машин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции: Экологические 1спекты эксплуатации гидромелиоративных систем, - Новочеркасск, 1996. -;. 19 (в соавторстве).

17 Прогноз урожайности многолетних трав на орошаемых землях II Гез. докл. Всероссийской научно-практической конференции: Экологиче-;кнс аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем, - Новочеркасск, 1996. - с. 24 (в соавторстве).

18 Приемы предотвращения водной эрозии при поливах ДМ 'Фрегат" // Мелиорация и водное хозяйство № 4- 1995.- с.27(в соавторстве).

19 Рациональное использование водных ресурсов II Н.тр. Всероссий-:кой научно-практической конференци: Экологические аспекты эксплуата-шн гидромелиоративных систем и использование орошаемых земель, - Но-ючеркасск. 1996.-е. 91 (в соавторстве).

20 Способ определения биологических коэффициентов водопотреб-гения сельскохозяйственных кулыур II A.c. 1743479. СССР, A01G25/00 Опубл. Б.И. № 24,1992, (в соавторстве).

21 Каскадная ударно-струйная форсунка // A.c. 1775182. СССР В05 В /161 Опубл. Б.И. № 42, 1992.

22 Многоопорная дождевальная машина // A.c. 1782474. СССР, А01 j 25/09 I Опубл. Б .И. № 47, 1992. (в соавторстве).

23 Гидроуправляемый клапан для трубопроводов // A.c. 1824480. :ССР, Е 02 В 11 /00 / Опубл. Б.И. № 24, 1993. (в соавторстве).

24 Устройство доя полива // Патент РФ № 2021695 А 01 G 25/02 / )публ. Б.И. № 20, 1994. (в соавторстве).

25 Осушительная система И Патент РФ № 2022099. А 01 G 25/00 / )публ.Б.И.№20, 1994.

26 Устройство для определения норм и сроков полива II A.c. 1685314 ГССР, А 01G27/00 / Опубл. Б.И. № 40, 1990. (в соавторстве).

27 Способ очистки внутренней поверхности трубы II Патент РФ 024338, В 08 В 9/100 / Опубл. Б.И. № 23,1994.

28 Дождевальная насадка // A.c. 1630690 СССР А 01G 25/00 / Опубл. ¡.И. № 24, 1990. (в соавторстве).

29 Дождевальная насадка // A.c. 1630690 СССР А 01G 25/00 / Опубл. >.И.№24, 1990.

30 Аэрозольный генератор // A.c. 1720732 СССР, В 05 ВЗ/02 / Опубл Б.И. № 6, 1990. (в соавторстве).

31 Гидромелиоративная система // Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке № 95106278/13, А 01 G 25/00. приоритет 19.04.95 (в со авторстве).

32 Способ полива сельскохозяйственных культур // Решение ВНИ ИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке № 95105660/15, А Ol G 25/00, при оритет 13.04.95.

33 Информационное обеспечение процесса нормирования ороше ния. Мат. Всерос. Научно-практической конф. "Защитное лесоразведение i мелиорация земель в степных и лесостепных районах". Волгоград, 1998.

34 Расчет режимов орошения // Интенсивные технологии сельскохо зянственных культур на орошаемых землях Северного Кавказа, Новочеркасск, 1988 .с.25-30.

35 Технология возделывания культур-фитомелиорантов на засолен ных землях Ростовской области. "Мелиорация и водное хозяйство", № 5, * 1996, 52 с. (в соавторстве).

36 Типовые технологические процессы по уходу за мелиоративным) системами И Инф-пат.обзор МСХиП РФ. Водно-солевой режим орошаемы: земель при повторном использовании коллекторно-дренажных вод и меро приятия по оптимизации мелиоративного состояния земель. ЦНТй "Мелиоводинформ",- М., 1995. - с.70 (в соавторстве).

37 Типовые технологические процессы по предотвращению водно эрозии почв // Инф-пат.обзор МСХиП РФ. Водно-солевой режим орс шасмых земель при повторном использовании коллекторно-дренажных во и мероприятия по оптимизации мелиоративного состояния земель. ЦНТИ "Мелиоводинформ".- М„ 1995,- с. 60 (в соавторстве).

38 Совершенствование методики расчетов суммарного испарени растении // "Мелиорация и водное хозяйство" № 2, 1997, с. 26.

39 Принципы и технологии рационального и экологически безопас ного водопользования // Мат.международного симпозиума "Чистая вод России - 97", Екатеринбург, 1997,- с. 14.

40 Совершенствование проектирования гидромелиоративных систе с учетом экологических факторов ¡1 Мат.международного симпозиум "Чистая вода России - 97", Екатеринбург, 1997.- с. 15.

41 Нормирование орошения люцерны с учетом вероятностного xt рактера гидрометеорологической и воднобаланеовой информации. Иове черкасск, Изд. НГМА, 1998-129 с.

42 Анализ конструкции гидромелиоративных систем на основе закс на стадийного развития техники /7 Мелиорация и водное хозяйство. № 1998.- с. 28 (в соавторстве).

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Ольгаренко, Геннадий Владимирович, Новочеркасск



ОН 93 Г,

\

Министерство сельского хозяйства » продовольствия Российской Федерации

Южный научно-исследовательский институт гидротехн и ки и мелиорации

НОРМИРОВАНИЕ, ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ВОДОС5ЕРЕГАЮУ4ИХ ПРОЦЕССОВ

ОРОШЕНИЯ

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.02 - "Сельскохозяйственная мелиорация"

Г.В. ОЛЬГАРЕНКО

кандидат сельскохозяйственных наук

Научный консультант - академик РАСХН, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор______

ШУМАКОВ БОРИС БОРИСОВИЧ

Новочеркасск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

с.

rkphfhRF 4 1 ПРОБЛЕМЫ ОРОШАЕМОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РЕШЕНИЯ.............................................. ...14

1.1 Экологизация режимов орошения при высокопродуктивном использовании водных и земельных ресурсов............................. .14

1.2 Нормирование орошения под планируемую продуктивность агроце-нозов с использованием комплексной гидрометеорологической информации. .........................................................30

1.3 Качество полива дождеванием как фактор реализации водосбере-гающих процессов орошения......................................50

ОЫ ВО ^ ивввпаяввнвмапваквйввипкппввяиксавяяаакявикваияяавп«

2 ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ВОДОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОРОШЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ........................... 70

2.1 Закономерности развития гидромелиоративных систем как основа формирования концепции водосберегающих режимов орошения..... ..70

2.2 Инженерно-технические решения, обеспечивающие реализацию во-досберегающих принципов орошения............................. .83

2.3 Концепция управления водосберегающими режимами орошения.. .95 ВЫВОДЫ..................................................... 109

3 ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, ОБОСНОВАНИЕ ПРОГРАММЫ, МЕТОДИКИ И ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ....................... .Л 12

3.1 Цель и задачи научной работы.............................................112

3.2 Почвенно-климатические характеристики объектов исследований. 113

3.3 Методика организации и проведения экспериментов............129

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА АГРОЦЕНОЗОВ СУММАРНОГО ИСПАРЕНИЯ И УРОЖАЙНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР ПРИ ою-

ШЕНИИ................................................................148

4.1 Режим орошения и суммарное испарение в связи с урожайностью посевов ячменя, люцерны и овощных культур......................148

4.1 Л Режим орошения, суммарное испарение и урожайность посевов ячменя....................................................... Л 48

4.1.2 Режим орошения, суммарное испарение и урожайность люцерны 1 -го года жизни............................................... Л 59

4.1.3 Режим орошения, суммарное испарение и урожайность люцерны

2-го года жизни............................................... Л 68

4.1Л Режим орошения, суммарное испарение и урожайность лука... 180 4.1.5 Режим орошения, суммарное испарение и урожайность капусты. 188

4.2 Закономерности влияние водного режима на суммарное испарение и урожайность сельскохозяйственных культур......................198

4.3 Количественная оценка участие грунтовых вод в формировании водного баланса орошаемых земель при различной глубине их залегания. ......................................................214

4.4 Теплоэнергетический баланс орошаемых земель............... 224

4.5 Оценка влияния вероятностного характера гидрометеорологических факторов на изменчивость параметров формул для суммарного испарения ...........................................................237

llS -b I 8^ ЬI I. «в*»ациипак*всммаьвпкк*«п *кипвинпн*аекви »йн>в11№11с1ав 250 5 ИНФОРМАЦИОННО - МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ И ТОЧНОСТИ НОРМИРОВАНИЯ ОГО-

ii^i •■агаяинманяиямкигвеааамиаяммквлиивалекяаеап.яияижьняки

5.1 Методические основы повышения достоверности информационного обеспечения нормирования орошения............................ .253

5.2 Комплексная характеристика гидрометеорологических условий и критерии точности ее определения..........................................................273

53 Математические зависимости для расчета влагообмеиа в зоне аэра-

5.4 Обоснование комплексного метода расчета суммарного испарения и динамики влагозапасов.........................................293

5.5 Результаты проверки точности расчетного метода..............302

5.6 Нормирование водосберегающих режимов оронтения с использованием комплексной гидрометеорологической и воднобалансовой информации. ........................................................309

ВЫВОДЫ......................................................319

6 КАЧЕСТВЕННОЕ УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛИВА ДОЖДЕВАНИЕМ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ВОДОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ

^РО 0-11^111 « яи^опп ииивввьвяяиввввяяиввнивипвяевявяявввгпкне» п^^х- 1

6.1 Закономерности формирования струкгуры естественного и искусственного дождей........................................... 321

6.2 Обоснование принципов комбинированного распыления и конструкций низконапорных дождевальных насадок .......................326

6.3 Результаты лабораторных испытаний каскадных ударно-вибрационных и дефлекторных насадок.......................... 334

6.4 Влияние качества искусственного дожд я на эффективность использования оросительной воды и урожайность сельскохозяйственных куль-

"Х"^^^!? «»КЯВМКЯвЯЯЯввЯЯввПЯВвОвИЯИЯЯИВЯЕвИВВввЯОЯИЛЛавЯЯЯВЯИЯ«««« »В -5

6.5 Эффективность реализация водосберегающих процессов орошения.358

спнвяявя'вдавяв.яввриеиинеявявипинжпчя.ипиэлияникяиоавя» <3 ^^^ ^ Ё1, 1. ^ 1Е/ иппа я «яяпвппеп пчиоон оыивпжовипкиаппово« с нимай е нь^^С^

Предложения к производству.....................................373

Список использованных источников..............................374

Приложение 1. Акты внедрения...................................400

Приложение 2. Расчет экономического эффекта .....................407

тельных систем, качеством техники и технологии полива, эксплуатации и управлением орошения.

Для практического решения экологических проблем необходима разработка методов и технологий мелиорации как комплексного управления водным режимом, биологическим и геологическим круговоротом вещества, созданием мелиоративных ландшафтов, отвечающих требованиям со-

w w w w

циальнои и экологической устойчивости при достаточно высокой биологической продуктивности [Айдаров И.П., Григоров М.С., Кружилин И.П., Маслов Б.С., Шумаков Б.Б.]. Приоритетными направлениями деятельности, по мнению российских ученых и экспертов ФАО [5], являются: повышение эффективности использования водных ресурсов за счет совершенствования процессов управления орошением и водопользованием, достоверности и точности их информационного обеспечения; повышения технического уровня гидромелиоративных систем (ГМС); разработка и реализация водосберегающих технологий и техники орошения.

Анализ работ российских и зарубежных ученых, а также данных ФАО показывает, что за счет повышения технического уровня гидромелиоративных систем может быть решено 30-40 % существующих экологических проблем, остальная их часть может быть устранена путем повышения эффективности управления использованием водных ресурсов при орошении. Нерациональное управление даже при самом высоком техническом совершенстве оросительных систем, приводит к непродуктивным потерям воды на сток и инфильтрацию, снижению плодородия орошаемых почв. При этом бесполезно теряются израсходованные на водоподъем и водораспределение ресурсы и энергия, что особенно недопустимо в современных условиях при значительном росте цен на энергоносители и тенденции снижения энергоотдачи от ресурсов, вкладываемых в орошение.

Управление водным режимом орошаемых земель сопряжено со значительными трудностями, так как динамика влагообеспеченности посевов

б

зависит от большого числа стохастических гидрометеорологических факторов. Современный уровень развития средств вычислительной техники, компьютерных технологий управления производством, позволяет преодолеть эти трудности [4,5]. Поэтому методы математического моделирования все более широко применяются при управлении технологическими процессами в орошаемом земледелии.

Реализуемое качество управления зависит не только от уровня обеспеченности потребителей средствами связи, вычислительной техникой, но и от того насколько точно модели позволяют оценить динамику водного баланса посевов, точности и достоверности информационного обеспечения.

В производственных условиях для управления орошением с применением математических моделей, требуется предварительное теоретическое обоснование и экспериментальное определение норм водопотребления сельскохозяйственных культур, а также наиболее информативных параметров моделей; организация информационного обеспечения, позволяющая получить точные количественные характеристики влагообеспечен-ности посевов и регулировать водный режим почвы в соответствии с изменяющимися по этапам органогенеза гидрометеорологическими условиями и потребностью растений в воде.

Все вышеизложенное указывает на необходимость проведения работ по комплексному совершенствованию процессов управления водным режимом на основе повышения достоверности их информационного обеспечения, точности расчетных методов определения суммарного испарения и составляющих водного баланса, нормирования водопотребления, качества реализации режимов орошения.

Цель исследований. Научно-методическое обоснование и разработка рекомендаций по повышению точности нормирования орошения, достоверности информационного обеспечения и качества реализации процесса полива, обеспечивающих экономное использование водных ре-

сурсов.

Задачи исследований включали:

сбор и анализ научно-технической информации по влиянию орошения на экологическую обстановку в зависимости от эффективности использования водных ресурсов, технической оснащенности ГМС, качества планирования и управления водным режимом орошаемых земель;

- разработку концепции и основных принципов повышения эффективности орошения на основе совершенствования расчетных методов определения составляющих водного баланса орошаемых земель, улучшения информационного обеспечения процессов планирования и управления орошением, а также технологического процесса дождевания;

- исследование влияния гидрометеорологических условий и орошения на формирование водного режима, суммарного испарения и урожайности ячменя, люцерны и овощных культур;

- получение количественных данных о влагообмене в зоне аэрации при различной глубине залегания уровня грунтовых вод;

изучение теплового баланса орошаемых агроценозов, выявление его особенностей при различном уровне влагообеспеченности посевов многолетних трав;

- исследование влияния влагообеспеченности на суммарное испарение и урожайность, с учетом особенностей водопотребления сельскохозяйственных культур на различных этапах онтогенеза;

- количественную оценку влияния вариации гидрометеорологических факторов на точность расчета суммарного испарения и изменчивость эмпирических параметров в моделях для оперативного планирования орошения;

- обоснование и разработку нового расчетного метода определения суммарного испарения, методики нормирования водосберегающих

режимов орошения с учетом вероятностного характера гидрометеорологической и воднобалансовой информации;

- разработку рекомендаций по повышению достоверности и точности информационного обеспечения процесса нормирования орошения, усовершенствование методики расчета испаряемости и влагообмена в зоне аэрации по данным гидрометеорологических наблюдений;

- обоснование и разработку конструкций дождевальных насадок, обеспечивающих повышение агроэкологического качества дождя, получение исходных данных, необходимых для гидравлического расчета и оптимизации схем размещения с учетом характера распределения слоя осадков.

Научная новизна заключается в том что:

- сформулирована концепция развития гидромелиоративных систем, как частный случай закона эволюционного развития технических объектов; уточнены цель и основные принципы водосберегающих процессов орошения;

- теоретически обоснован новый расчетный метод определения суммарного испарения и оценки водного режима орошаемых земель, учитывающий комплексный характер гидрометеорологической и водно-балансовой информации;

- установлен качественный характер математических зависимостей и получены количественные показатели, отражающие влияние влажности почвы на суммарное испарение и урожайность ячменя, люцерны, капусты, лука, с учетом особенностей их биологических ритмов развития;

- впервые для условий степной зоны Северного Кавказа установлены закономерности формирования водного и теплового баланса посевов люцерны при изменении гидрометеорологических и гидрологических условий;

- предложена методика организации экспериментальных исследований, позволяющая повыситьдостоверность и точность информационного обеспечения расчетных методов нормирования орошения, получить количественные показатели изменчивости эмпирических параметров уравнений для определения суммарного испарения; усовершенствованы математические зависимости для расчета испаряемости и влагооб-мена в зоне аэрации по данным гидрометеорологических и гидрологических наблюдений;

- теоретически обоснована возможность улучшения качества дождя при использовании комбинированных способов распыливания жидкости; разработаны новые конструкции низконапорных дождевальных насадок, исследованы их гидравлические характеристики и параметры искусственного дождя, оценено влияние качества дождя на урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность использования оросительной воды.

Практическая ценность.

Предложена методика оперативного планирования водосбере-гающих процессов орошения, позволяющая повысить качество регулирования водно-воздушного режима почвы, назначать экономически целесообразные и экологически обоснованные режимы орошения сельскохозяйственных культур, обеспечивающие повышение эффективности использования водных и энергетических ресурсов.

Получены математические зависимости для оценки влияния влаго-обеспеченности на урожайность сельскохозяйственных культур для предварительного планирования орошения и водопользования, предложены способы реализации водосберегающих процессов орошения, обеспечивающие экологическую безопасность.

Даны рекомендации по повышению достоверности и точности информационного обеспечения математических моделей оперативного планирования орошения в конкретных почвенно-климатических и органи-

зационно-хозяйственных условиях.

Разработаны новые конструкции низконапорных дождевальных насадок ударно-вибрационного действия, повышающие качество полива, а также получены исходные данные, необходимые для расчета их гидравлических параметров и схем размещения на водопроводящем поясе дождевальных машин.

На защиту выносятся,

1. Концепция развития гидромелиоративных систем, как частный случай закона эволюционного развития технических объектов, уточненные цель и основные принципы, новые инженерные решения по реализации водосберегающих процессов орошения.

2. Новый метод расчета суммарного испарения и динамики водного режима орошаемых земель, учитывающий комплексный характер гидрометеорологической и воднобалансовой информации.

3. Методика организации экспериментальных исследований, позволяющая повысить достоверность и точность информационного обеспечения расчетных методов нормирования орошения.

4. Математические зависимости для расчета влагообмена в зоне аэрации и испаряемости по данным гидрометеорологических наблюдений.

5. Новые конструкции низконапорных дождевальных насадок, реализующие принципы комбинированного и пульсационного распылива-ния жидкости.

Реализация работы.

Результаты работы использованы при составлении 5 нормативно-методических документов, инструкций, указаний, рекомендаций, методик.

Научно-технические разработки, представленные в диссертационной работе, внедрены на оросительных системах Ростовской области, Север-

ного Кавказа с годовым экономическим эффектом_1200 млн.рубдей в

ценах 1997 года.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

Региональных конференциях: "Улучшение мелиоративного состояния и эффективного использования орошаемых земель", 1987, Новочеркасск., "Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа", Новочеркасск, 29 мая - 1 июня 1990 г.

Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве", Новочеркасск, 25-29 сентября 1989 г.

Всесоюзной конференции молодых ученых, Москва, 1985 г.,

XII Всесоюзной конференции молодых ученых рисоводов, ВНИИ риса, Краснодар, 2-4 апреля 1990 г.

Научно-технических конференциях, проводимых ЮжНИИГиМом и НИМИ (Новочеркасск, 1989-1995гг.).

Всероссийском совещании "Использование орошаемых земель России, ВНИИГиМ, Москва, 1995 г.

Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации