Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование запасов влаги в почве для охраны от подтопления и иссушения агроландшафтов

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обоснование запасов влаги в почве для охраны от подтопления и иссушения агроландшафтов"

На правах рукописи Гельмиярова Виктория Николаевна

Обоснование запасов влаги в почве для охраны от подтопления и иссушения агроландшафтов

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 б ЯНЗ Ш

005009347

Краснодар 2012

005009347

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ)

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель - Кузнецов Евгений Владимирович

Официальные доктор технических наук, доцент оппоненты - Сафронова Татьяна Ивановна

кандидат технических наук, доцент Дышеков Азратали Хусейнович

Ведущая Федеральное государственное бюджетное образова-

организация - тельное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (г. Новочеркасск)

Защита состоится «29» февраля 2012 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, Кубанский ГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат отправлен на сайт Минобрнауки РФ http://mon.gov.ru «19» января 2012 года

Автореферат размещен на сайте Кубанского ГАУ http://kubsau.ru «_» января 2012 года.

Автореферат разослан «21» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /7

доктор технических наук В.С. Курасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Плодородие почв во многом зависит от водного режима территорий. Урожайность на сельскохозяйственных землях, подвергающихся подтоплению и переувлажнению низкая. С другой стороны, понижение уровня грунтовых вод тоже негативно влияет на плодородие почв. Иссушение почвы ведет к разрушению и выветриванию плодородного слоя. Периодическое повторение процессов переувлажнения, подтопления и иссушения почв приводит к слитности почв, то есть процесс деградации почвенного покрова не прекращается.

Для решения проблемы деградации почвы применяют комплексные мелиорации, 'направленные на экологическое оздоровление сельскохозяйственных земель. Однако не достаточно полно исследованы вопросы доступных запасов влаги в почве для растений, влияющей на подтопление и переувлажнение земель.

Поэтому следует продолжить исследования механизма увлажнения агроландшафтов, изучить действия факторов, влияющих на накопление влаги в почве при подтоплении, переувлажнении и иссушении агроландшафтов с позиции мелиорации земель. Такие исследования были выполнены в Тимашевском районе Краснодарского края.

Цель работы - обосновать запасы влаги в почво-грунте, разработать методику их расчета с учетом динамики влажности в почве для сохранения урожая сельскохозяйственных культур.

Объект исследований - запасы влаги в почво-грунте подверженном подтоплению и иссушению.

Предмет исследования - закономерности и связи между уровнем грунтовых вод и влажностью, временем распространения и способностью удержания влаги в почво-грунте.

Научная гипотеза - прогнозирование запасов влаги в почве позволит создавать оптимальные условия развития сельскохозяй-

ственных культур.

Методы исследований - физическое моделирование натурного фунтового потока на масштабных песчаных моделях, математическое моделирование распространение влаги в почво-грунте, теория планирования эксперимента, статистическая обработка опытных данных. Научная новизна:

- получены математические модели, позволяющие рассчитывать пополнение запасов влаги почво-грунта, находящегося под действием одиночного источника подтопления;

- получены математические модели, позволяющие рассчитывать убывание запасов влаги под действием иссушения почво-грунта;

- разработана методика расчета запасов влаги по глубине, учитывающая характер перемещения влаги в почво-грунте по времени.

Практическую значимость работы представляют:

- математические модели процесса перемещения влаги в почво-грунте позволяют прогнозировать подъем уровня грунтовых вод в любой промежуток времени;

- графоаналитический метод, позволяющий по значениям влажности прогнозировать уровень грунтовой воды в периоды подтопления и иссушения почво-грунта;

- уточненное уравнение для расчетов запасов влаги в корнеобитаемом слое культур;

- методика, позволяющая вычислять общий запас влаги в почве на глубину до 2м в условиях Тимашевского района Краснодарского края;

- рекомендации для работников агропромышленного комплекса по охране сельскохозяйственных земель от подтопления, переувлажнения и иссушения.

Положения, выносимые на защиту:

- уравнение гармонических колебаний распространения влажности в однородном почво-грунте с течением времени;

- математическая модель скорости фильтрации с учетом изменения температуры и положения уровня грунтовых вод;

- математическая модель, позволяющие рассчитывать пополнение запасов влаги почво-грунта, находящегося под действием одиночного источника подтопления;

- математическая модель, позволяющие рассчитывать убывание запасов влаги под действием иссушения почво-грунта;

- методика, для вычисления общих запасов влаги в корнеобитаемом слое почвы сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях КГАУ в 2005-08 гг, г. Краснодар; на IV-ой Всероссийской конференции, октябрь 2006 г, г. Пермь; на 1-ой и 2-ой международная научно-практических конференциях КГАУ 20082009 гг, г. Краснодар.

Публикации. Автором опубликовано 11 научных работ, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, предложений производству и списка литературы, включающего 183 наименования, в том числе 13 публикаций зарубежных авторов и приложения. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, включает 45 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние вопроса о подтоплении и переувлажнении агроландшафтов» сделан обзор работ И.П. Айдарова, C.B. Астапова, М.Н. Багрова, СЛ. Безднина, В.Ф. Валькова, А .И. Голованова, Ф.Р. Зейдельмана, В.А. Ковды, А.Н. Костикова, Е.В. Кузнецова, Ю.П. Полякова, И.Д. Черниченко и др., которые внесли значительный вклад в изучение движения влаги в почве для охраны сельскохозяйственных земель. Существенный вклад внесли в решение задач, рассматривающих движение грунтовых вод в гидравлической и гидродинамической постановке С.Ф. Аверьянов, А.И. Богомолов, H.H. Павловский, A.A. Роде, JI.C. Лейбензон, Я.К. Левин, П.Я. Полубаринова-Кочина и др.

Охрана агроландшафтов от подтопления должна включать в себя как рациональное использование природных ресурсов, так и анализ всех возможных последствий хозяйственной деятельности человека. Поэтому необходимо количественное обоснование запасов влаги в периоды подтопления и иссушения почво-грунтов для сохранения агроландшафтов и экономии водных ресурсов.

Для достижения поставленной цели исследований необходимо выполнить следующие задачи:

- разработать физическую модель процесса перемещения влаги в почве при боковом подтоплении и дальнейшем иссушении почво-грунта в лотке конечных размеров;

- исследовать процесс перемещения влаги в почве при боковом увлажнении и получить аналитическую зависимость распространения влажности для обоснования запасов влаги;

- исследовать скорость фильтрации с учетом температуры и уровня грунтовых вод при подтоплении и иссушении почво-грунта;

- выполнить планирование эксперимента на физической модели для установления закономерности движения влаги в почво-грунте при процессах бокового подтопления и иссушения;

- уточнить уравнение для расчетов запасов влаги в корнеобитаемом

6

слое культур;

- разработать методику расчета общих запасов влаги в зависимости от типа почвы и глубины распространения корней для условий Тима-шевского района Краснодарского края.

Во второй главе «Методика исследований и схема опытов» описан метод физического моделирования, позволяющий проводить исследование влажности грунта для обоснования запасов влаги.

Исследования, проведенные на песчаной модели, позволили изучить процесс впитывания влаги в почву и распространение фронта влаги по всему профилю при боковом периодическом подтоплении и иссушении. В данном опыте исследовались параметры, которые в природных условиях влияют на уровень грунтовых вод (УГВ) в период подтопления и иссушения. Опытным путем определялось формирование водного режима почво-грунтов, где основными параметрами были: глубина воды в источнике увлажнения, удаленность от источника увлажнения и временной период.

В качестве физической модели почво-грунта для изучения процесса подтопления, переувлажнения и иссушения сельскохозяйственных земель использовали в лотке конечных размеров однородный кварцевый песок. Основными техническими требованиями были надлежащий фракционный состав и однородность размеров зерен. Калибр сита, через которое просеивали песок, составил 0,25мм.

Равномерность распределения и уплотнения песка достигается еженедельными поливами в течение года. После уплотнения мощность песчаной загрузки составила 0,3м><2,69мх0,42м. Плотность модельного грунта после уплотнения была 1,25 г/см , водопроницаемость - 0,3м/сут. По степени водопроницаемости это соответствует черноземам обыкновенным с благоприятными водно-физическими свойствами (балл бонитета составляет 85-90).

Экспериментальная установка (рисунок 1) представляет собой параллелепипед длиной 3,9 м, шириной 0,31 ми высотой 0,6 м. По-

грешность измерения линейных размеров не превышала ±0,001 м. Для визуальных наблюдений боковые стенки экспериментальной установки сделаны из органического стекла толщиной 0,005 м, вставленного в стальные рамы из уголков.

мера, 4 - успокоительная решетка, 5 - пьезометры, 6 - почво-грунт (модель), 7 - сливная камера, 8 - отводящий трубопровод.

Рисунок 1 - Схема опытной установки

Методика измерений параметров бокового подтопления состояла в следующем: уровень воды в источнике подтопления после каждого замера доводился до установленной отметки; УГВ измеряли каждый день в одно и то же время с помощью пьезометров с точностью ±1 мм, расположенных в соответствующих точках в трехкратной повторности; измерения влажности проводились каждый день в одно и то же время с помощью прибором ВИМС-1У с погрешность ±1,0%.

При иссушении почво-грунта, подвергшегося подтоплению, моделировались следующие параметры: временной интервал, уровень воды, расстояние от источника увлажнения.

Начальная влажность доведена по всему профилю на поверхности при иссушении -Иг = 23,3%, на глубине 5см -IV- 24,2%, на глубине 10см - ^=25,5%, на глубине 15см - ¡¥= 24,8%.

В третьей главе «Лабораторные исследования процесса подтопления и иссушения почво-грунта» были изучены процессы формирования распространения фронта влажности, которые использовались при разработке методов расчета запасов влаги при подтоплении и иссушении почво-грунта. На рисунке 2 приведены результаты формирования запасов влаги при процессе подтопления.

а) Увлажнения почво-грунта на первые сутки

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

— глуОинв 5см

гпуОинв Юсм

глубина 1 Дсм

б) Увлажнения почво-грунта на вторые сутки

. — глубина 1 см -глубин» 5см_тувии» 10 ........... туСмн« 15см

в) Влажность почво-грунта на пятые сутки Рисунок 2 - Формирования запасов влаги при процессе подтопления

В результате обработки опытных данных методом наименьших квадратов получены математические модели перемещения влаги по глубине с момента подтопления до полного насыщения почво-грунта. В общем виде модели представляют собой параболическую зависимость

Ж(х)=А-Х2+В-Х+С, где А. В, С— постоянные коэффициенты, зависящие от глубины отбора проб, удаленности от источника увлажнения и времени.

Математические модели применялись для расчета запасов влаги при подтоплении. Аналогичные модели были получены для процесса иссушения от момента полного насыщения влагой почво-грунта до влажности почво-грунта 15,2 %.

В результате теоретического исследования установлено, что процессы увлажнения и иссушения можно описать экспоненциальной функцией в виде затухающих колебаний. Получена аналитическая зависимость описывающая процесс распространения влажности в однородном почво-грунте при периодическом боковом увлажнении

¡¥(1, х) = Аъ-е-хк-соъ

/ X

(--

V и

0)

где Ао - амплитуда в рассматриваемых точках плоскости х, м; к - коэффициент вязкости, со - фаза колебания влажности, 1/с; t - время увлажнения грунта, с; и - скорость боковой фильтрации в рассматриваемой элементарной площадке м/с.

Полученная математическая модель (1) позволяет оценить динамику влажности почво-грунта при боковом подтоплении.

Температура почвы в пахотном горизонте в вегетационный период культур повышается с 5 до 35 °С. Были выполнены теоретические исследования, которые позволили уточнить значения скорости фильтрации и0 (х), которая определяет время распространения влаги

в почво-грунте. Установлено, что повышение температуры на 1°С увеличивает скорость фильтрации на 1,5 - 2%. Уточненное значение скорости фильтрации описывается уравнением

«,(*) = к0 -ку -и0{х), (2)

где к0 - коэффициент фильтрации при температуре Т=0°С',

кх =1+0,337-Г+0,000221-Г2 - коэффициент, учитывающий температуру

воды.

В четвертой главе «Анализ результатов исследований при ситуации подтопления и иссушения почво-грунта» выполнялась математическая обработка экспериментальных данных. Использовался симметричный композиционный план типа Вк (£> - оптимальность). Эллипсоид рассеивания оценок коэффициентов плана имеет минимальный объем, при этом план содержит только точки с координатами 0 и ±1. В каждом проведенном опыте изучалось влияние трех факторов и фиксированы их значения на оптимальных уровнях. При использовании многофакторного эксперимента изучалось перемещение влажности в почво-грунте при температуре 18-29 °С.

Факторы, интервалы и уровни варьирования, используемые на песчаной модели, в период подтопления и переувлажнения представлены в таблице 1.

Таблица! - Факторы, интервалы и уровни варьирования при

моделировании ситуации подтопления

Факторы Кодированное Интервал варь- Уровни факторов

обозначение ирования -1 0 +1

Временной интервал (£>), сутки Xi 1 3 4 5

Удаленность от источника увлажнения (1), см х2 60 0 60 120

Глубина измерения влажности в почво-грунте (Я), см х3 5 5 10 15

Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить уравнения регрессии для влажности почво-грунта в период подтопления

Г = 25,1875 +0,9-х,-2,64-х2 + 3,91-х.,- ? (3)

- 1Д75 ■ х, • х2 + 0,55 • х, • х3 +1,25 • х2 • х3 + 0,2526 • xf + 0,4474- х\ - 2,3026 • х32 где Y- влажность почво-грунта в период подтопления, %.

Координаты центра поверхности отклика х/=0,1 947; Х2= 1,441; хз = 1,2635. Отклик в новом начале координат Ys= 25,8429. Угол поворота осей координат поверхности отклика до совмещения с главными осями фигуры равен 12,22°.

Уравнение регрессии в канонической форме имеет вид

Y -25,8429 = 0,2526-Хгх +0,5828 -Х22 -2,4380 -Х32. (4)

Поверхность отклика представляет гиперболу, а ее центр - ми-нимакс, поскольку коэффициенты имеют разные знаки.

Поверхность отклика изучалась с помощью двумерных сечений.

12

Уравнения регрессии в канонической форме

У)2 - 25,8429 = -0,2455 • X,2 + 0,9455 • X2, (5)

Г13 - 25,8429 = 0,2819- Х2х - 2,3319■ Х32, (6)

У23 - 25,8429 = 0,5828 ■ Х\ - 2,438 • Х32, (7)

Поверхность отклика представляет собой гиперболоид (рисунок 3), а ее центр минимакс, поскольку коэффициенты канонического уравнения (5) имеют разные знаки.

Рисунок 3 - Поверхности влажности почво-грунта в период подтопления от количества дней и удаленности от одиночного источника

Вторым откликом в матрице планирования являлся УГВ. После математической обработки экспериментальных данных уравнение регрессии для УГВ в период подтопления примет вид У = 34,7038- 6,8294-х, -2,0122-х2 +7,9573-х, -х2 -15,967 7 • х2 -17,2206-х2, (8) где У- глубина залегания УГВ, м.

Аналогично предыдущему были построены поверхности откликов в период иссушения, представляющие гиперболоиды с центрами минимакс, тле. коэффициенты канонических уравнений (6) и (7) имеют разные знаки.

Факторы, интервалы и уровни варьирования, используемые на песчаной модели, в период иссушения почво-грунта представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Факторы, интервалы и уровни варьирования при

моделировании ситуации иссушения почво-грунта

Факторы Кодированное обозначение Интервал варьирования Уровни факторов

-1 0 +1

Временной интервал (Я), сутки XI 4 2 6 10

Уровень воды в источнике увлажнения (Н), см х2 7 13 20 27

Удаленность от очага увлажнения (I), см х3 59 1 60 119

Обработка экспериментальных данных в период иссушения почво-грунта. получили данные уравнение регрессии с нормализованными переменными

У = 22,4813 + 0,55 • х1 - 0,15 • х2 - 0,34 • х3 - ^

- 0,4625 • ^ -х2 + 0,8625 -х, -х3 + 0,5625 -х2 -х3 + 0,254 -х,2 - 0,646 -х\ +1,704 -х\ где У- глубина залегания УГВ в период иссушения почво-грунта, см.

Исследуя результаты исследования, можно заключить, что на процесс изменения влажности в периоды подтопления и иссушения наибольшее влияние оказывает уровень грунтовых вод.

В пятой главе «Обоснование запасов влаги агроландшафтов и экономическая эффективность» представлены натурные исследования в агрофирме «Нива» Тимашевского района. Разработаны методы расчета запасов влаги в вегетационный период сельскохозяйственных культур.

Получена полуэмпирическая формула для расчета влажности почво-грунта в период подтопления

1Гп = 13,89 -1,05 • х, - 0,02 • +1,94 • х3 - 0,02 • х1 ■ х2 + 0,11 • х1 • х3 +

+ 0,0042 • хг ■ х3 + 0,25 • х] + 0,00012 ■ х\ - 0,09 • х]

где X] - временной интервал с момента подтопления, сут.; хг - удаленность от источника, см; xj - глубина измерения влажности в поч-во-грунте, см.

С учетом формулы (10) уточняем методику расчета общих запасов продуктивной влаги доступной растениям и влаги А W в слое прироста корневой системы растений.

Общие запасы влаги определяются по формуле

ff = 0,l-V-MiWn-W3), (11)

гдеЖ-запасы доступной почвенной влаги, мм; К-объемная масса почвы, г/см ; ас1-мощность слоя почвы, см; Wn- влажность почво-грунта в период подтопления, %; W3 - влажность устойчивого завяда-ния почвы, %.

Запасы влаги в корнеобитаемом слое находятся по выражению AW = m-hKC-a-Wn, (12)

где hкс - глубина распространения основной массы корней растений, м; а - плотность почвы, т/м3.

Формулы (11) и (12) позволяют прогнозировать запасы влаги в зависимости от временного интервала и удаленности от источника увлажнения почво-грунта.

Достоверность полученных лабораторных и теоретических исследований был проверена в натурных условиях на полях агрофирмы «Нива», где выращивалась озимая пшеница (рисунок 4). С помощью наблюдательных скважин установили динамику и характер подтопления. Скважины №1 и №2 закладывалась в центре понижения, где изучался процесс подтопления почвы, скважины №3 и №5 устраивались в зоне переувлажнения, скважины №4 и №6 - устраивались на неподтопленной территории.

По всем скважинам были получены опытные данные по динамике влажности почво-грунта в течение вегетационного периода озимой пшеницы. Влажность в скважинах измерялась через интервал 0,2

м до глубины 2,0 м. В каждой скважине было произведено 42 отбора почвенных образцов. Влажность определялась весовым методом.

Влажность почвы в зависимости от времени на расчетной глубине почво-грунта в общем виде описывается ранее полученным уравнением (1), что подтверждается распространением влаги, как в лабораторных условиях, так и в натуре. Результаты обработки опытных данных для условий агрофирмы «Нива» по коэффициентам, зависящим от глубины отбора проб, приведены в таблице 3. Достоверность полученных результатов выполнялась по критерию Кохрена.

Рисунок 4 - Схема переувлажненных земель на территории агрофирмы «Нива»

Для вычисления общих запасов влаги в любом слое почвы необходимо учитывать изменения плотности почвы по глубине. Установлена зависимость плотности почвы от глубины для условий выращивания озимой пшеницы в агрофирме «Нива»

Таблица 3 - Результаты обработки опытных данных для условий

агрофирмы «Нива»

глубина взятия проб,м А В С

0,10-0,15 -,0,001 -0,120 31,914

0,35-0,40 -2,416 -0,01 32,549

0,55-0,60 -0,0031 0,058 28,32

0,75-0,80 -0,0019 0,0115 28,75

1,00-1,05 -0,0023 -0,0358 28,37

1,45-1,50 ' -0,0022 0,064 29,48

1,95-2,00 -0,0018 0,0112 31,25

а(й) = 0,1-й +1,23. (13)

Выполненные натурные и теоретические исследования позволили получить формулу для расчета общих запасов влаги в любом слое почво-грунта с учетом изменения влажности во время вегетации культур

№юв=уа(}1)-}1-] (14)

где Щов - общий запас влаги в определяемом слое, м3/га; \У- влажность почвы в долях от весовых %; Л - толщина слоя почвы, м; у - коэффициент перевода на 1 га; /у — /^необходимый временной отрезок времени. По

модели (14) разработана компьютерная программа, позволяющая вычислять общий запас влаги, как в каждом слое, так и по всей глубине.

Экономическая эффективность от внедрения комплексных мероприятий подтверждается сохранением урожая. Чистый дисконтированный доход от внедрения разработок составил 244175,4 руб., при индексе доходности мероприятий, направленных на предупреждение подтопления и иссушения почво-грунта, ИД=1,24.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана физическая модель, которая позволила выполнить моделирование влияния источника увлажнения на процесс перемещения влаги в почве при боковом периодическом подтоплении в течение 20 суток и дальнейшем иссушении в течение 10 суток почво-грунта. В качестве физической модели почво-грунта использовали лоток конечных размеров 0,3мх2,69мх0,42м, который содержал однородный кварцевый песок плотностью 1,25г/см3.

2. Получено уравнение гармонических колебаний распространения влажности с течением времени и характеристики источника увлажнения в однородной грунтовой среде при периодическом боковом увлажнении.

3. Получена математическая модель скорости фильтрации с учетом изменения температуры и положения уровня грунтовых вод. Установлено, что при повышении температуры на 1°С скорость фильтрации в среднем увеличивается на 2% в диапазоне температуры почво-грунта от 5°С до 35°С.

4. Проведенный эксперимент на физической модели позволил установить закономерности движения влаги в почво-грунте при процессах бокового периодического подтопления и дальнейшего иссушения. Установлено, что на распространение влажности в исследуемом фунте влияют УГВ и временной интервал. Влажность исследуемого почво-грунта при подтоплении увеличивается в среднем до 28,52%. При иссушении влажность исследуемого почво-грунта в среднем уменьшилась до 18,94%.

5.Уточнены уравнения для расчетов запасов влаги в корнеобита-емом слое культур в зависимости от времени увлажнения или иссушения и плотности почвы. Погрешность расчетов математических моделей от результатов натурных данных не превышает 5%.

6. Разработана методика расчета общих запасов влаги в слое почвы 0 - 2м в зависимости от плотности почвы и глубины распро-

странения корневой системы для условий Тимашевского района Краснодарского края. Данная методика позволяет устанавливать влажность почво-грунта в нужный временной интервал.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Гельмиярова В.Н. Обоснование параметров влажности почво-грунта при моделировании ситуации подтопления У Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Труды Кубанского государственного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2009. - № 4(19). - С. 222-227.

2. Гельмиярова В.Н. Исследование параметров влажности однородного грунта под действием очага увлажнения / Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Труды Кубанского государственного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2009. №5(20) - С. 263-266.

Статьи в других изданиях

3. Гельмиярова В.Н. Теоретическое обоснование скорости фильтрации в почво-грунтах при осушении подтопленных сельскохозяйственных земель./ Е.В.Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы. Сборник статей IV Всероссийской конференции, октябрь 2006, - С. 88.

4. Гельмиярова В.Н. Земельно-охранные системы для сохранения и восстановления плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения / Е.В.Кузнецов, А.Е Хаджиди., В.Н. Гельмиярова // Труды Кубанского государственного университета [Электронный ресурс]. - КубГАУ, 2006. - №23 (7). Режим доступа: http://ej.kubagro. ru/2006/07/pdf] 19.pdf

5. Гельмиярова В.Н. Комплекс мероприятий для охраны земель сельскохозяйственного назначения от подтопления и переувлажнения / А.Е. Хаджиди, Г.И. Булатецкий, В.Н. Гельмиярова //

Труды Кубанского государственного университета [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2006. - №23 (7). Режим доступа: http://ej. kubagro .ru/2006/07/pdf] 18.pdf

6. Гельмиярова В.Н. Исследование влажности почвы при воздействии подтопления и переувлажнения / В.Н. Гельмиярова// Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия. Материалы международной научно-практической конференции. - Краснодар: КубГАУ, 2008. - С.60-61.

7. Гельмиярова В.Н. Управление водным режимом почво-грунтов для охраны сельскохозяйственных земель от подтопления / Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Актуальность проблемы мелиорации на Северном Кавказе: Сб. науч. тр. - Краснодар: КубГАУ, 2008.-С. 49-57.

8. Гельмиярова В.Н. Моделирование ситуации подтопления сельскохозяйственных земель./ Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия. Материалы 2-й международной научно-практической конференции. - Краснодар: КубГАУ, 2009. - С. 87-90.

9. Гельмиярова В.Н. К вопросу исследования влажности почво-грунта под действием источника увлажнения./ Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия. Материалы 2-й международной научно-практической конференции. - Краснодар: КубГАУ, 2009.. - С. 90-92.

10. Гельмиярова В.Н. Исследование переноса влаги в однородном грунте./ Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова // Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия. Материалы 2-й международной научно-практической конференции. - Краснодар: КубГАУ, 2009.. - С. 92-95.

11. Гельмиярова В.Н. Агромелиоративные приемы обработки почв переувлажняемых сельскохозяйственных земель (Методические рекомендации)./ Е.В. Кузнецов, С.Ю. Орленко, М.И. Чеботарев, А.Е.

В.Н. Хаджиди, С.А. Владимиров, А.В Литовченко, В.Н. Гельмияро-ва// Департамент сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»,- Краснодар: КубГАУ, 2009. - С. 52.

Свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ

12. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615097, 2009г (Заявка № 2009614084). Модель изменения влажности почвы после подтопления земель / В.Н. Гельмияро-ва, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов.

13. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615198, 2009г (Заявка № 2009614080). Графическая интерпретация модели изменения влажности почвы после подтопления грунта / В.Н. Гельмиярова, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов.

14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615200, 2009г (Заявка № 2009614086). Каноническое преобразование модели изменения влажности почвы после подтопления земель / В.Н. Гельмиярова, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов.

15. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615394, 2009г (Заявка № 2009614293). Модель прогноза осушения грунта сельскохозяйственных земель /А.Е. Хаджиди, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова.

16. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615582, 2009г (Заявка № 2009614457). Графическое построение модели осушения сельскохозяйственных земель / А.Е. Хаджиди, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова.

17. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009615584, 2009г (Заявка № 2009614459). Математическое обеспечение для модели осушения грунта в мнимых значениях / А.Е. Хаджиди, В.В. Цыбулевский, Е.В. Кузнецов, В.Н. Гельмиярова.

Подписано в печать 17.01.2012 г. Формат 60><84 1/16

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л. 1 Заказ № 17

Тираж 120 экз.

Отпечатано в типографии Куб ГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Гельмиярова, Виктория Николаевна, Краснодар

61 12-5/1844

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет"

На правах рукописи

ГЕЛЬМИЯРОВА Виктория Николаевна

ОБОСНОВАНИЕ ЗАПАСОВ ВЛАГИ В ПОЧВЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ И ИССУШЕНИЯ

АГРОЛАНДШАФТОВ

Специальность: 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация

и охрана земель»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Кузнецов Е.В.

Краснодар, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПОДТОПЛЕНИИ

И ИССУШЕНИИ АГРОЛАНДШАФТОВ..............................................................8

1Л Причины и факторы, обуславливающие подтопление сельскохозяйственных земель Краснодарского края........................... 8

1.2 Анализ теоретических моделей движения грунтовых вод..................16

1.3 Анализ способов осушения подтопленных

сельскохозяйственных земель......................................................24

1.4 Выводы, цели и задачи исследования..............................................28

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И СХЕМА ОПЫТА............30

2.1 Методика исследований..........................................................30

2.2Планирование эксперимента..........................................^

2.3Моделирование физических процессов..................................................43

2.4Методика экспериментальных исследований........................................50

2.5 Выводы......

.........................................................................53

ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ПОДТОПЛЕНИЯ И ИССУШЕНИЯ ПОЧВО-ГРУНТА.................. 54

3.1 Исследования подтопления почво-грунта на физической модели.........54

3.2Исследования иссушения почво-грунта на физической модели............59

3.3 Обоснование процесса перемещения влаги в почве при боковом увлажнении....

.........................................................63

3.4 Влияние температуры воды на скорость фильтрации........................67

3.5 Выводы.....

..........................................................................72

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ СИТУАЦИИ

ПОДТОПЛЕНИЯ И ИССУШЕНИЯ ПОЧВО-ГРУНТА................ 73

4.1 Математическая обработка экспериментальных данных

при ситуации подтопления почво-грунта............................................73

4.2 Анализ математической обработки данных эксперимента

на песчаной модели при ситуации подтопления..........................................75

4.3 Анализ математической обработке данных эксперимента

на песчаной модели при ситуации иссушения............................................83

4.4 Выводы......

.........................................................................88

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ЗАПАСОВ ВЛАГИ АГРОЛАНДШАФТОВ

И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ..

......................................

5.1 Графоаналитический способ определения уровня грунтовых вод при подтоплении - иссушении агроландшафтов................................................90

5.2 Обоснование запасов влаги агроландшафтов с учетом подтопления и иссушения почво-грунта

..................................................................94

5.3 Натурные исследования агроландшафтов в Тимашевском районе Краснодарского края........................................................^

5.4 Обоснование распространения влаги при иссушении почвы агроландшафта............................

5.5 Разработка математических моделей для влажности почво-грунта.....106

5.6 Обоснование методики расчета общих запасов продуктивной влаги

на агроландшафтах Тимашевского района..............................................j j Q

5.7 Экономическая эффективность метода расчета запасов влаги...........113

5.8 Выводы.....

.......................................................................118

Общие выводы....

......................................................................119

Предложения производству................

Список используемых источников........

......*.......*•••••••! 21

Приложения......

.....................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Главным природным ресурсом территории Краснодарского края в удовлетворении населения продуктами питания являются сельскохозяйственные земли. Одна из основных проблем развития сельскохозяйственной отрасли - это охрана плодородных земель, в том числе и от подтопления. На сельскохозяйственных землях, которые испытывают периодическое подтопление и переувлажнение происходит значительная потеря урожая. Урожаи культур на переувлажненных землях не покрывают затрат на их выращивание. Следует рассматривать решение этой проблемы как комплексное мероприятие, направленное на экологическое оздоровление региона.

Существующие мероприятия по охране переувлажненных земель не достаточно эффективны. При воздействии природных и антропогенных факторов на сельскохозяйственные земли происходит образование понижений на полях, где вода скапливается, уменьшая размеры пашни. Размеры замкнутых понижений из года в год увеличиваются, почвы деградируют, этот

процесс прогрессирует. Осушение территории можно достичь понижением уровня грунтовых вод.

С другой стороны, понижение уровня грунтовых вод тоже негативно влияет на плодородие почв. Иссушение почвы ведет к разрушению и выветриванию плодородного слоя, а периодическое повторение процессов подтопления и переувлажнения почв приводит к слитизации почв, то есть к ог-леиванию, таким образом, процесс деградации почв не прекращается.

Для поддержания оптимальной влажности существуют мелиоративные приемы, направленные как на отвод избыточной влаги с поверхности, так и

из самой почвы. Но, к сожалению, проводимых мелиораций не всегда достаточно для достижения желаемого результата, т.к. процесс распространения влаги в почве малоизучен, а расчеты существующих математических моделей, как правило, сложно применимы в природных условиях. Следовательно, необходимо продолжать исследования, позволяющие научно обосновывать почвенные процессы для разработки мелиоративных мероприятий по охране агроландшафтов. Обоснование запасов влаги в почве является важной составляющей охраны сельскохозяйственных земель от подтопления и иссушения.

Необходимо знать потенциальный почвенный запас влаги при разработке мероприятий по восстановлению плодородия сельскохозяйственных земель, т.е. поддержанию оптимальной влажности в почве. Такие мероприятия должны учитывать причинно следственные связи, влияющие на распространение подтопленных земель. Но для этого должны быть выполнены теоретические, лабораторные и натурные исследования, позволяющие изучить процессы перемещения и распространения влаги в почве.

Таким образом, сохранение и повышение плодородия почв должно базироваться на научно обоснованных результатах по охране сельскохозяйственных земель от подтопления и иссушения.

Цель работы - обосновать запасы влаги в почво-грунте, разработать методику их расчета с учетом динамики влажности в почве для сохранения урожая сельскохозяйственных культур.

Объект исследований - запасы влаги в почво-грунте, подверженном подтоплению и иссушению.

Предмет исследования - закономерности и связи между уровнем грунтовых вод и влажностью, временем распространения и способностью удержания влаги в почво-грунте.

Научная гипотеза - прогнозирование запасов влаги в почве позволит создавать оптимальные условия развития сельскохозяйственных культур.

Методы исследований - физическое моделирование натурного грунтового потока на масштабных песчаных моделях, математическое моделирование распространение влаги в почво-грунте, статистическая обработка опытных данных.

Научная новизна.

- получены математические модели, позволяющие рассчитывать пополнение запасов влаги почво-грунта находящегося под действием одиночного источника подтопления;

- получены математические модели, позволяющие рассчитывать убывание запасов влаги под действие иссушения почво-грунта;

- разработана методика расчета запасов влаги по глубине, учитывающая характер перемещения влаги в почво-грунте по времени.

Практическая значимость:

- математические модели процесса перемещения влаги в почво-грунте позволяют прогнозировать подъем уровня грунтовых вод в любой промежуток времени;

- графоаналитический метод, позволяющий по значениям влажности прогнозировать уровень грунтовой воды в периоды подтопления и иссушения почво-грунта;

- уточнено уравнение для расчетов запасов влаги в корнеобитаемом слое культур;

- разработана методика позволяющая вычислять общий запас влаги в почве на глубину до 2м в условиях Тимашевского района Краснодарского края;

- рекомендации для работников агропромышленного комплекса по охране

сельскохозяйственных земель от подтопления, переувлажнения и иссушения.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях КГАУ в 2005-08гг, г. Краснодар; на 1У-ой всероссийской конференции, октябрь 2006г, г. Пермь;

на 1-ой и 2-ой международная научно-практических конференциях КГАУ 2008-09гг, г. Краснодар.

Публикации. Автором опубликовано 11 научных работ две, из которых в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из пяти глав, выводов, предложений производству и списка литературы, включающего 183 наименования, в том числе 13 публикаций зарубежных авторов и приложения. Диссертация 139 страницах машинописного текста, включает 45 рисунков, 10 таблиц.

изложена на

Положения, выносимые на защиту:

- уравнение гармонических колебаний распространения влажности с течением времени;

- математическая модель скорости фильтрации с учетом изменения температуры и положения уровня грунтовых вод;

- математическая модель, позволяющие рассчитывать пополнение запасов

влаги почво-грунта, находящегося под действием одиночного источника

подтопления;

- математическая модель, позволяющие рассчитывать убывание запасов влаги под действием иссушения почво-грунта;

- методика, для вычисления общих запасов влаги в почве.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПОДТОПЛЕНИИ И ИССУШЕНИИ АГРОЛАНДШАФТОВ

1.1 Причины и факторы, обуславливающие подтопление сельскохозяйственных земель Краснодарского края

Причины переувлажнения и подтопления земель в степной зоне подразделяются на естественные (зональные), местные (внутризональные) и антропогенные. Как отмечают ученые, K.M. Авакян [1], И.П. Айдаров [6-8] В.П. Амелин [11, 13], С.В. Астапов [14], А.И. Бараев [16], П.Н. Березни [18],' Вальков [28], А.И. Голованов [37], А.М. Думбляускас [54], Ф.Р. Зайдельман [61], Е.В. Кузнецов [84, 87], В.Ф. Ю.А. Штемпель [169] и др. [2, 3, 9, 21, 26, 29, 34], климатические условия обусловливают зональные причины. Обычно формирование устойчивого переувлажнения земель наблюдается в периоды, когда количество осадков превышает величину испарения - в Краснодарском крае это зима и первая половина весны [2, 3, 10, 29, 36, 43, 173].

Согласно долгосрочным прогнозам ученых K.M. Авакяна [1], В.П. Амелин [12], А.И. Голованова [38], М.С. Григорова [41], А.Д. Гумбарова [43], А.Н. Костякова [81], Е.В. Кузнецова [83, 85, 86], ЮЛ. Полякова [116] Г.В. Шевченко [158] и д.р. [46, 48, 50, 51, 57, 59, 67, 147 и др.], произойди увеличение частоты появления следующих друг за другом лет с высокой суммой осадков в холодный период. Следовательно, возрастет количество переувлажненных сельхозугодий, т.е. переувлажнение земель уже не следует рассматривать как непредсказуемое редкое бедствие. Можно говорить о переувлажнении земель, как о регулярном природном явлении. Например, в период 1995-99гг. произошло не отмечавшееся за прошедший столетний период редкое сочетание четырех избыточно влажных лет подряд; сумма осадков в указанные годы превышала средние многолетние величины на 3050% [22, 25, 32, 35, 36, 50, 143, 144, 152, 155, 156, 163, 164 и др ]

Подтопление и переувлажнение сельскохозяйственных земель связано с водным режимом почво-грунтов и определяется явлением поступления влаги в почву, её передвижением, накоплением в различной её форме. Количественная оценка воздействия почвенной влаги на физико-химические процессы, структуру и агрегатный состав, физико-механические свойства широко рассмотрены учеными ИЛ. Айдаровым [8], ЕЛ. Алешиным [10], С. В. Астаповым [14], Н.Ф. Бондаренко [20], В.М. Боровским [21], Т.Ф. Бочко [23], А.И. Будаговским [24], Г.В. Воропаевым [32], Г.В. Добровольский [49], Ф.Р. Зайдельман [60], Т.И.Закржевскпй [62], Е.В. Кузнецовым [88-90], А.Е.' Хаджиди [151], Э. Чайлдсом [154], Г.В. Шевченко [157, 158], и др. [45, 58 69-72, 75-78, 113, 143, 149, 150, 161, 174].

Одним из основных мелиоративных методов для определения причин и факторов, обуславливающих подтопление и переувлажнение сельскохозяйственных земель, как отмечают ученые Л.А. Гришина [42], Ф.Р Зайдельман [63, 64], А.Н. Костяков [81], Е.В. Кузнецов [82], В.Н.Лопатин [94, 95], И.Д. Черпиченко [155], Г.В. Шевченко [160], В.М. Шестаков [165] и др

[17, 40, 73, 97, 107, 111, 115, 119, 120, 132, 175] является мониторинг режима грунтовых вод.

в задачу мониторинга входят рассмотрение природных факторов, обуславливающих подтопление сельскохозяйственных земель:

- геоморфология рельефа;

- гидрографическая сеть рек;

- почвенный покров;

- уровень грунтовых вод;

- осадки, их перераспределение по периодам года.

Так же рассматриваются и антропогенные факторы, влияющие на подтопление сельскохозяйственных земель:

- интенсивное ведение сельского хозяйства на плодородных почвах;

- плужная подошва;

- распашка полей на водоохраных зонах;

- возведение перегораживающих сооружений на реках;

- строительство трубчатых переездов и мостов через водные преграды;

- строительство автомобильных и железных дорог без водопропускных сооружений;

- закладка лесополос без продуманной схемы отвода избыточных вод с полей.

Таким образом, факторы, обуславливающие подтопление сельскохозяйственных земель достаточно глубоко рассмотрены учеными. Имеются исследования по влиянию УГВ на агроландшафты, где не достаточно полно исследованы параметры, влияющие на подтопление и переувлажнение земель. Поэтому следует продолжить исследования механизма грунтового увлажнения агроландшафтов, изучить действия факторов, влияющих на перемещения влаги в почве при подтоплении и переувлажнении сельскохозяйственных земель.

Территория Краснодарского края по геоморфологии рельефа разделяется на пять основных районов.

1). Азово-Кубанская низменность включает: лессовые эрозионно-

аккумулятивные плиоценово-четвертичные равнины; аллювиально-

аккумулятивные равнины с покровом лесов и современные дельтовые аллювиальные равнины.

2). Таманский полуостров представляет собой холмистый рельеф, расположенный на плиоценовых четвертичных структурах.

3). Кубанская наклонная равнина представляет собой аллювиальную террасированную местность.

4). Низкие, средние, и высокие горы.

5). Сельскохозяйственные земли расположены во всех основных

районах Кубани, на которых интенсивно ведется сельскохозяйственное производство.

Как отмечается учеными Е.В. Кузнецовым [84, 89], И.Д.Черниченко [155], Г.В. Шевченко [159, 162], что наиболее трудной, но и самой плодородной, с позиций выращивания основных культур, является территория Азово-Кубанского бассейна. Здесь на почвы негативно воздействуют природные и антропогенные факторы, вызывая подтопление и переувлажнение сельскохозяйственных земель, приводя их к деградации.

Высокое залегание уровня минерализованных грунтовых вод на территории бассейна приводит не только к подтоплению и переувлажнению плодородных земель, но и к их вторичному засолению.

Постройка водохранилищ, строительство и эксплуатация рисовой оросительной системы в дельте р. Кубань привели к резкому изменению природных условий. В крае был создан новый антропогенный рельеф, и естественный водный режим был заменен искусственным. Как отмечают ученые E.H. Будько [25], Е.Б. Величко [29], Голованов А.И. [37], A.M. Дербенёва [46], В.П. Дорошенко [51], Ф.Р. Зайдельман [60], Е.В. Кузнецов [83-85], Г.В. Шевченко [150-153] и др. [31, 55, 93, 100, 104, 110, 112, 121, 122, 133, 158] переувлажнение почв стало зависеть от антропогенного воздействия в большей степени, нежели чем от природных факторов. Это в большей степени повлияло на изменение климата в Краснодарском крае, чем глобальное потепление. Происходившие изменения стали негативно отражаться на современной территории Краснодарского края. Произошло перераспределение осадков и солнечной радиации по периодам года. В осенне-зимний период количество осадков увеличилось на 30% по сравнению со средней многолетней нормой за этот же период [35, 36]. Во время вегетации сельскохозяйственных культур на Кубани наблюдаются устойчивые засухи.

Равнинная часть края представлена Азово-Кубанской низменностью, которая содержит долины степных рек Понура, Кирпили, Бейсуг, Албаши, Челбас, Ея. Так же имеется разветвленная балочной система. В долинах степных рек выражена пойма, которая местами заболочена и имеет заросли

камыша и тростника. На востоке и юго-востоке встречаются балки с пологим рельефом. Территория, примыкающая к морю, представляет собой дельтовый район степных рек и р. Кубань с многочисленными ериками, протоками, плавнями и лиманами. Отметки поверхности земли на этой территории колеблют�