Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогноз и оперативное планирование дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на обыкновенных черноземах Ростовской области

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Прогноз и оперативное планирование дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на обыкновенных черноземах Ростовской области"

На правах рукописи

ОЛЬГАРЕНКО Игорь Владимирович

ПРОГНОЗ И ОПЕРАТИВНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫХ РЕЖИМОВ ОРОШЕНИЯ КОРМОВОЙ СВЕКЛЫ НА ОБЫКНОВЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМАХ РОСТОВСКОЙ

ОБЛАСТИ

Специальность 06 01 02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени каодидата технических наук

Волгоград - 2003

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель- кандидат сельскохозяйственных наук, профессор,

Заслуженный мелиоратор РФ Сенчуков Герман Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАСХН Григоров Михаил Стефанович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Льгов Владимир Георгиевич

Ведущая организация- Федеральное государственное научное

учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Защита диссертации состоится «22» сентября 2003 г. вЛ?4асов на заседании диссертационного совета Д 220 008.02 в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, ул. Институтская 8, ауд. 242

С диссертацией можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « » августа 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Ряднов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рациональное использование водных ресурсов на основе повышения точности и надежности прогнозирования, совершенствования информационных технологий, улучшения управления технологическими процессами орошения является главным фактором для обеспечения экологической устойчивости агроландшафтов, повышения эффективности использования материально-технических, энергетических, трудовых ресурсов на оросительных системах. Проведение информационно-аналитических и экспериментальных исследований по совершенствованию технологии информационного обеспечения, повышению точности расчетных методов прогнозирования норм водопотребления и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы имеет важное значение для мелиоративной науки и практики.

Цель работы: совершенствование методики прогнозирования и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на основе повышения точности расчетов испаряемости, суммарного испарения и поливных норм, с учетом влияния пространственно-временной изменчивости гидрометеорологических факторов, влажности почвы и уровня урожайности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• сбор и анализ научно технической информации по совершенствованию управления орошением, эффективности возделывания кормовой свеклы;

• анализ методов прогнозирования и оперативного планирования режимов орошения сельскохозяйственных культур и обоснование направлений их совершенствования;

• изучение динамики водного баланса, суммарного испарения, испаряемости и урожайности кормовой свеклы при различном уровне дифференциации режимов орошения и изменении гидрометеорологических факторов;

• совершенствование методики прогноза суммарного испарения и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на основе повышения точности и достоверности ин< ¡ормацивннвп^^^^нения,

Р°%ИБЛИОТЕКА |

С.Петербург^

09 ЗОСб ах^'/б

учета уровня урожайности, изменчивости гидрометеорологических условий и влияния влажности почвы;

• выполнение комплексной оценки экономической и энергетической эффективности методики прогноза дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы с учетом структуры ресурсозатрат.

Научная новизна работы состоит в том, что:

-установлены закономерности влияния изменчивости гидрометеорологических условий на испаряемость, режимы орошения, структуру водного баланса, суммарное испарение и урожайность кормовой свеклы;

- предложена методика прогноза суммарного испарения, планирования и расчета дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы с учетом изменчивости гидрометеорологических факторов;

- разработаны модель, алгоритм, программа и справочно-информационная база данных для расчетов на ЭВМ дифференцированных режимов орошения, учитывающие влияние изменчивости гидрометеорологических факторов и влажности почвы;

- получены эмпирические зависимости, характеризующие влияние режимов орошения и фаз развития кормовой свеклы на суммарное испарение и урожайность;

- установлены параметры к математическим моделям для расчетов испаряемости, суммарного испарения и режимов орошения кормовой свеклы для конкретных почвенно-югаматических условий.

На защиту выносятся:

- количественные параметры влияния гидрометеорологических условий на испаряемость, режимы орошения, суммарное испарение, структуру водного баланса и урожайность кормовой свеклы;

- модель прогноза и состав справочно-информационной базы данных для оперативного планирования поливов сельскохозяйственных культур;

- усовершенствованные методики прогнозирования суммарного испарения и расчета эксплуатационных режимов орошения кормовой свеклы, уточненные

биоклиматические коэффициенты, учитывающие влияние изменчивости гидрометеорологических факторов и влажности почвы;

- эмпирические зависимости, характеризующие влияние величин оросительных норм на урожайность кормовой свеклы, а также взаимосвязь поливных норм, дифференцированных по фазам развития растений, на суммарное испарение и урожайность кормовой свеклы;

- алгоритм для расчета на ЭВМ норм орошения под планируемый урожай кормовой свеклы с учетом изменчивости гидрометеорологических факторов;

- дифференцированные режимы орошения кормовой свеклы, ориентированные на различный уровень естественной тепловлагообеспеченности, влажности почвы и урожайности.

Практическая значимость работы. Разработаны и внедрены рекомендации по прогнозированию и оперативному планированию дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на основе повышения точности расчетов испаряемости и норм водопотребления с использованием современного информационного обеспечения и применения ЭВМ для конкретных почвенно-климатических условий, обеспечивающих рациональное использование водноэнергетиченских ресурсов, повышение урожайности и улучшение экологической обстановки на орошаемых землях.

Результаты исследований рекомендуется использовать при проектировании оросительных систем и отдельных участков орошения; при прогнозировании и оперативном управлении эксплуатационными режимами орошения кормовой свеклы на современном уровне хозяйствования, а также на перспективу при условии широкого внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами на оросительных системах с использованием ЭВМ при наличии дефицитов на интегральные ресурсы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях, проводимых ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» в период с 1998 по 2002 годы; на II Междуна-

родной конференции «Экология, гидроэкология и экономика минерального сырья» в 1999 году, г. Новочеркасск; на V Международной научно-технической конференции «Экономика и политика в области природообустройства» в 1999 году, г. Ростов-на-Дону; на Международной научной конференции (Костяковские чтения) « Экологические проблемы мелиораций» в 2002 году, г. Москва; на заседаниях научной секции Россельхозакадемии «Эксплуатация гидромелиоративных систем» в 2000 - 2002 годах, г. Новочеркасск.

Реализация работы. Материалы исследований вошли составной частью в тематику научно-исследовательских работ, выполняемых по отраслевой научно-технической программе МСХ РФ «Плодородие почв», а также в тематику НМЦ Россельхозакадемии по проблеме 10.02.

Результаты исследований внедрены в АО «Нива» Веселовского района Ростовской области на площади 50 га, экономический эффект составил 2000,0 руб./га. Расчетами экономической и энергетической эффективности возделывания кормовой свеклы, при дифференциации посевов по уровню их влагообеспеченно-сти, установлено изменение рентабельности от 70,3% до 114,0%, а коэффициента энергетической эффективности соответственно от 1,62 до 2,07.

Использование усовершенствованной методики прогнозирования и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения обеспечивает экономию оросительной воды до 600 м3/га, дизельного топлива до 20 л/га и денежных средств в среднем до 300 руб/га.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, предложений производству и изложена на 149 страницах текста компьютерного набора и включает 48 таблиц, 22 рисунка и 3 приложения. Список использованных источников содержит 165 наименований, в том числе 14 иностранных источников.

Содержание работы

Во введении изложены актуальность темы, цель, задачи, научная новизна исследований; сформулированы основные положения выносимые на защиту; практическая значимость, апробация и внедрение полученных результатов в производство.

Впервой главе приводится научно-аналитический обзор по эффек-' тивности управления орошением, методам прогноза нормирования водопотребле-

ния и расчета режимов орошения кормовой свеклы. I Изучению водопотребления сельскохозяйственных культур и методики их

прогнозирования посвящены работы С.М. и A.M. Алпатьевых, И.М. Будыко, Г.Т. Балакай, В.И. Вихрова, C.B. Выхованко, М.Г. Голченко, Э.Г. Евтушенко, H.A. Ивановой, И.П. Кружилина, А.Р. Константинова, И.А. Кузника, С.М. Кривовяза, Г.К. Льгова, В.П. Остапчик, Г.В. Ольгаренко, Г.А. Сенчукова, A.A. Собко, Г.В. Талалаевского, И.С. Харченко, А.Ю. Черемисинова, И.А. Шашко, Б.А. Шумакова, Б.Б. Шумакова и др.

Исследованиями С.М. Алпатьева, В.А. Бондарева, М.С. Григорова, Е.Б Гер-ценпггейна, А.Н. Костякова, В.Н. Киреева, Э.А. Креслиного, A.C. Кружилина, Ю.Ф. Миронова, В.П. Овсяникова, A.B. Петрова, И.Т. Слусар, И.Д. Филипьева и др. установлены соответствующие режимы орошения свеклы для конкретных почвенно-климатических зон России, Украины. Молдавии, Казахстана.

Исследованиями Б.А. Зимовца, Т.С. Луковской, A.A. Собко, Б.Б. Шумакова и др. установлено, что рациональное использование водных ресурсов требует внедрения современной техники и технологии полива, нормирования орошения, соблюдения агротехнических технологий и севооборотов. Перспективным путем ее решения является совершенствование системы управления технологическим процессом орошения с применением математических моделей. Этому направлению посвящены работы С.А. Бойко, К.А. Блэка, Х.Б. Блэйни, Д.Т. Клейна, М.Г. Са-нояна, К.И. Сорочана, С.С. Росса, С.И. Харченко, Д.Б. Циприса и других авторов.

Анализ выполненных работ позволяет утверждать, что ни одна из предложенных моделей не является универсальной и пригодной для всех почвенно-

климатических зон России. Существенно повысить эффективность управления позволяет точное прогнозирование, планирование и оперативное управление технологическими процессами возделывания сельскохозяйственных культур с учетом изменчивости тепловлагообеспеченности и влажности почвы вегетационного периода для конкретных почвенно-климатических зон.

Во второй главе изложена рабочая гипотеза, программа и методика исследований, почвенно-климатические и организационно-хозяйственные условия объекта исследований.

Информационно-аналитические исследования позволили установить современное состояние и определить перспективы развития информационных систем управления, основные направления совершенствования моделей для прогнозирования и оперативного планирования орошения.

В работах Е.П. Галямина, Ю.П. Добрачева, О.И. Жовтоног, И.П. Кружилина, Л.В. Кирейчевой, В.П. Остапчика, В.Н. Щедрина и др. подчеркивается, что управление орошением связано со значительными трудностями, так как водный режим почвы зависит от большого числа детерминированных и вероятностных факторов.

По данным исследований Б.Г. Коваленко, В.Г. Пряжинской, В.П. Остапчика, В.И. Ольгаренко, К. Соломона, Б.Б. Шумакова и др. установлено, что модель исследуемого объекта может быть представлена совокупностью материально-технических и информационных потоков, влияющих на качество реализации процесса орошения.

Исследование данной модели позволило разработать структурную схему повышения эффективности управления орошением, которая представлена пятью блоками, включающих комплекс мероприятий, направленных на повышение уровня материально-технического и кадрового обеспечения; качество научных исследований на системе; точности нормирования орошения; качество оперативной деятельности; точность и оперативность контроля.

Предложена модель прогноза, состоящая из двух основополагающих блоков:

блок управления информационной базой (БУИБ) и блок пространственно-временной оптимизации (БПВО). Блок управления состоит из блоков прогнозирования динамики влагозапасов, прогнозирования режимов орошения при дефиците ресурсов. Блок пространственно-временной оптимизации состоит из блоков ввода информации, формирования и передачи управляющих решений и воздействий, корректировки и оценки ошибок с учетом вероятностного характера гидрометеорологических факторов. Основные блоки связаны между собой через блоки формирования обратной связи и согласования технических операций.

Повышение точности управления технологическими процессами в большей степени зависят от качества, точности, полноты, объективности и оперативности получения, обработки и реализации необходимой информации. Разработан перечень и дана классификация информации, необходимой для обеспечения оперативного планирования и управления процессом орошения, включающая информационно-справочную, сезонную и оперативную информацию.

Установлено, что ни одна модель не может быть применена для управления без оценки ее адекватности конкретным почвенно-климатическим и организационно-хозяйственным условиям. Поэтому, с целью уточнения и дифференциации параметров и констант, входящих в модели , была реализована программа экспериментальных исследований, которая включала два однофакторных опыта:

Опыт 1. Изучить режим орошения, водопотребление и урожайность кормовой свеклы с учетом изменения гидрометеорологических условий. Опыт состоял из 4-х вариантов. За контрольный был принят вариант 1, где поливы назначались при снижении влажности почвы в 60-ти сантиметровом слое до 80% НВ, расчетной поливной нормой трасч ; на вариантах 2 и 3 поливы проводились в те же

сроки, что и на варианте 1 при снижении поливной нормы соответственно на 40% и 20 %; на варианте 4 поливы проводились нормами, превышающими расчетную I на 20 %.

Опыт 2. Изучить режим орошения, водопотребление и урожайность кормовой свеклы в зависимости от фазы ее развития. Опыт включает пять вариантов. За контрольный был принят вариант, где предусматривается проведение полива

нормой трасч для всех фаз развития.

Вариант 1 (Ф]) - поливы нормами 0,6т; 0,8т; 1,2т и пропуск полива (От) проводились в фазу 1: «прорастание семян - всходы», в остальные фазы поливы проводились расчетной поливной нормой - пграсч

Вариант 2 (Ф2) - поливы нормами 0,6т; 0,8т; 1,2т и пропуск полива (От) проводились в фазу 2: «всходы - появление двух настоящих листьев», в остальные фазы поливы проводились расчетной поливной нормой - трасч

Вариант 3 (Ф3) - поливы нормами 0,6т; 0,8т; 1,2т и пропуск полива (От) проводились в фазу 3: «формирование листьев - начало образования корнеплода», в остальные фазы поливы проводились расчетной поливной нормой - трасц

Вариант 4 (Ф4) - поливы нормами 0,6т; 0,8т; 1,2т и пропуск полива (От) проводились в фазу ,4: «формирование корнеплода - техническая зрелость», в остальные фазы поливы проводились расчетной поливной нормой - трасч

Экспериментальные исследования проводились в АО «Нива» Веселовского района Ростовской области в 1998-2002 г.г.

Способ полива - дождевание, агрегатом ДЦА-100МА. Опыты были заложены в четырехкратной повторности при одноярусном систематическом размещении вариантов. Площадь опытной делянки составляла 0,15 га; а учетной - 0,02 га.

На орошаемых полях применялись стандартные методы агрометеорологических почвенных и воднобалансовых исследований; агротехнические мероприятия проводились в соответствии с рекомендациями зональных систем земледелия, разработанными для черноземных почвы Юга России в РАСХН, ВИУА, ДЗНИИСХ, СтавНИИГиМ, РосНИИПМ.

Статистическая обработка полученных данных, определение закономерностей взаимодействия изучаемых факторов проводились с применением стандартных методов математического анализа.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению элементов водного баланса, дифференцированных режимов орошения и водопотребления кормовой свеклы в различных гидрометео-

рологических условиях.

Суммы активных температур за годы исследований в течение вегетационных периодов изменялись от 2700 °С до 2300 °С; величины осадков от 250 мм до 160 мм; испаряемости от 900 мм до 700 мм. По дефициту естественного увлажнения 1998 и 2001 годы близки к «среднесухому»; 1999 год - к «среднему»; 2000 и 2002 годы - к «средневлажному».

Проведенные полевые исследования позволили изучить динамику изменения влажности почвы и режим орошения кормовой свеклы для лет различной обеспеченности по дефициту естественного увлажнения по всем вариантам опытов. На контрольном варианте режим влажности почвы в расчетном слое изменялся в диапазоне колебания влажности от 0,8НВ до НВ; в опытах 2,3,4 - соответственно (0,9НВ-0,7НВ); (0,95НВ-0,75НВ) и (1,1НВ-0,85НВ). Поливы на всех вариантах опытов проводились в одни сроки для обеспечения принципа «единственного различия».

В «среднесухой» год по обеспеченности дефицита естественного увлажнения потребовалось проведение 9 поливов, оросительными нормами соответственно по вариантам опытов 370 мм, 222 мм, 296 мм, 444 мм; в "средний" год-7 поливов, соответственно оросительными нормами 300 мм, 180 мм, 240 мм, 360 мм; в «сред-невлажный» год-4 полива, оросительными нормами 210 мм, 126 мм, 168 мм, 252 мм.

В структуре водного баланса на состаляющие элементы суммарного испарения приходилось в «среднесухой» год на оросительную норму - 68%, осадков -29%, расход почвенной влаги - 3%. В «средний» год соответственно на оросительную норму - 55%, осадков - 41%, расход почвенной влаги - 4%. В «средне-влажный» год на оросительную норму - 42%, осадков 51%, расход почвенной влаги - 7%.

Распределение потребности в оросительной воде кормовой свеклы в течение вегетационного периода, условно разделенного на три периода, показало, что во второй период (в среднем с 16.06 по 31.08) потребность составляет 65 % от общей величины оросительной нормы, с коэффициентом вариации Су=0,13.

В среднем за годы исследований снижение оросительных норм на 20% и 40% приводило к уменьшению урожайности соответственно на 13 и 25% и суммарного испарения на 10% и 19%. В «среднесухой» год отмечено наибольшее снижение урожайности в зависимости от дифференциации поливных норм от 18 до 33%, суммарного испарения от 10,4% до 21,3%.

Увеличение оросительных норм на 20% от расчетной не приводило к увеличению урожайности кормовой свеклы. Изменения урожайности колебались в пределах точности постановки опытов.

Изучение влияния дифференциации поливных норм по фазам развития кормовой свеклы на динамику изменения влажности почвы в расчетном слое позволило установить характер распределения влажности и пределы ее изменения по всем вариантам опытов с учетом пропуска поливов по изучаемым фазам развития растений. Определены значения величин суммарного испарения, составляющих элементов водного баланса и урожайности.

Анализ данных за все годы исследований показал, что максимальное снижение урожайности в случае недостаточной влагообеспеченности отмечено в фазу (Фз). При пропуске полива в эту фазу урожайность уменьшилась на 22% по отношению к контрольному варианту. При дифференцированных поливных нормах 0,6 т и 0,8 т урожайность уменьшалась соответственно на 16% и 10%, а при поливе нормой 1,2 т увеличилась на 2%. Суммарное испарение изменялось от 516 до 549 мм. Пропуск поливов во вторую и третью фазы развития снижали урожайность свеклы до 37%.

Осредненные данные за годы исследований для вариантов опытов по составляющим элементам водного баланса, величинам суммарного испарения, урожайности и коэффициентам водопотребления приведены в таблице 1.

Экспериментальные данные были использованы для установления закономерности влияния величин оросительных норм, влажности почвы и фазы развития растений на суммарное испарение и урожайность, а также для определения биоклиматических коэффициентов. В результате обработки опытных данных методами математической статистики получены двухфакторные зависимости, ха-

растеризующие изменение урожайности, величины оросительных норм и фа-

Таблица 1 — Составляющие водного баланса и урожайность при дифференциации поливных норм по фазам развития кормовой свеклы (средние за годы исследований)_

Вариант опыта Составляющие водного баланса, мм Урожай ность, т/га Кет, мм/т

WH Р М WK ET

М - контроль 334 210 293 314 523 53,9 9,8

Вариант 1- пропуск полива в первую фазу (Ф1) 334 210 253 307 490 52,0 9,8

Вариант 2- пропуск полива во вторую фазу (Фг) 334 210 236,7 297,7 483 46,6 10,3

Вариант 3- пропуск полива в третью фазу (Фз) 334 210 250 298 496 43,7 11,4

Вариант 4- пропуск полива в четвертую фазу (Ф4) 334 210 243 286,7 500 51,8 9,8

У т/га

50 45 40

вариант 1 (Ф,)

Y=2m;-0,238m„+5l 84

г = 0,96

0,6

У т/га 55'

50 45

= 3- 40

вариант 2 (Фг)

Y=9,47mJ-3,8m0+46 5

А и

0,6 0,8

У т/га 55

50 45 40

вариант 3 (Ф,)

вариант 4 (Ф4)

Y= 10,06 т5-1,62щ,Н 43,5

г-0,97

0,6 0 8

0,6 0,8

Рисунок 1 - Зависимость урожайности от режимов увлажнения по фазам развития кормовой свеклы в среднем за годы исследований зы развития растений (рисунок 1), описываемые уравнениями параболы, имеющие общий вид.

Y = aml~bm0 + с t (1)

где Y - урожайность кормовой свеклы для каждой фазы, т/га; то - относительная величина, характеризуется отношением фактической поливной нормой (тФ) для определенной фазы развития, к расчетной (трасч), м3/га; а,Ь,с- эмпирические коэффициенты, значения которых приведены на рисунке 1.

В четвертой главе представлены результаты научно-аналитических исследований по обоснованию методов прогноза суммарного испарения и оперативного планирования режимов орошения с использованием уточненных биоклиматических коэффициентов с учетом изменчивости гидрометеорологических условий, влияния влажности почвы.

Анализ научно-технических материалов по обоснованию моделей определения суммарного испарения сельскохозяйственных культур показывает, что неучет вариации эмпирических коэффициентов, под влиянием изменяющихся гидрометеорологических условий, приводит к существенным ошибкам при расчетах.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить биоклиматические коэффициенты по дефициту влажности воздуха и испаряемости для условий оптимальной влагообеспеченности и установить закономерность их временной изменчивости (таблица 2). Указанные коэффициенты и агроклиматические характеристики (внешние факторы) для различных периодов развития кормовой свеклы были сгруппированы и подвергнуты обработке методами математической статистики.

Расчеты показывают, что изменчивость биоклиматических коэффициентов, определенных по Ес1ф, характеризуются коэффициентами вариации от 0,09 до 0,28, (в среднем 0,189); соответствующий коэффициент для влагозапасов почвы изменялся от 0,11 до 0,18 (в среднем - 0,13), а коэффициент для тепловлагообес-печенности от - 0,04 до 0,23 (в среднем 0,15). При этом снижение влажности почвы до 0,8НВ приводило к увеличению изменчивости биоклиматических коэффициентов при прочих равных условиях.

Таким образом, изменчивость биоклиматических коэффициентов свеклы, определенных по £с!ф выше, чем по Еу,- и поэтому следует рассчитывать суммарное испарение по формуле, связывающей ее с Е\у, что повышает точность расчетов по моделям.

Анализом установлено, что наиболее высокая теснота связи наблюдается между испарением с водной поверхности и суммарным испарением с полей оро-

шения. Для более точного определения величины испарения с водной поверхности была получена региональная зависимость, параметры которой установлены в Таблица 2 - Биоклиматические коэффициенты суммарного испарения кормовой

свеклы в среднем за годы исследований

Сумма температур воздуха от на- Биоклиматический коэффициент

чала посева суммарного испарения

Период вегета- Рассчитанный Рассчитанный

ции 1°С в долях от по дефициту по испаряемо-

суммы влажности воздуха, (И) сти, (КО

1-39 дней 0-200 0,28 0,61

200-400 0,2 0,31 0,70

400-600 0,34 0,74

II - 30 дней 600-800 0,36 0,79

800-1000 0,20 0,39 0,93

1000-1200 0,41 0,94

Щ-41 день 1200-1400 0,43 1,03

1400-1600 0,27 0,46 1,10

1600-1800 0,48 1,15

1800-2000 0,49 1,16

IV - 45 дней 2000-2200 0,50 1,20

2200-2400 0,48 1,06

2400-2600 0,33 0,46 0,86

2600-2800 0,43 0,80

2800-3000 0,41 0,77

Среднее 0,415 0,87

результате математической обработки многолетних данных об испарении с водной поверхности, температуре, дефиците влажности воздуха и осадков по четырем метеостанциям Ростовской области, имеющая общий вид:

Е^А-УХ, (2)

| где Е„ - испарение с водной поверхности, мм/сут; с19 - дефицит влажности воздуха, мб/сут.; I - среднесуточная температура воздуха, °С; А,Ь - эмпирические пара-| метры (таблица 3).

В результате апроксимации экспериментальных данных получено уравнение регрессии (рисунок 2), характеризующее зависимость суммарного испарения (ЕТ) I от урожайности кормовой свеклы (У), которое имеет вид:

ЕТ = 46,0 У0,61 (3)

Таблица 3 - Эмпирические параметры к расчету испаряемости Е№ для полузасушливой зоны Ростовской области

Метеостанции Параметры

А Ъ

Ростов-на-Дону 1,593 0,017

Веселый 1,675 0,026

Азов 1,913 0,013

Багаевская 2,170 0,017

Зависмости урожайности кормовой свеклы от оросительных норм, дифференцированных по обеспеченности дефицита естественного увлажнения (рисунок 3), описываются уравнениями парабол: для «средневлажного» года:

У, = -55,6М02 +127,8А/0 -18,9 (4)

Для «среднего» года:

У2 = -43,7Л/02+93,ЗМ0-16,01 (5)

Для «среднесухого» года:

У = -43,Ш0г +10,98Мо -16,1 (6)

Мо - отношение фактической оросительной нормы (Мф) к расчетной {Мрас11).

у т/га У, • 55.6М^127 84-18,9

30 35 40 45 50 55

Рисунок 2 - Зависимость суммарного испарения от урожайности кормовой свеклы

0.8 1.0 1Л

Рисунок 3 — Зависимость урожайности кормовой свеклы от оросительных норм, дифференцированных по обеспеченности дефицита естественного увлажнения

В исследованиях В.П. Остапчика, Н.М. Химина, С.И Харченко, А.Р. Константинова и др. изменение испарения принимается прямопропорциональным изменению влагозапасов в расчетном слое почвы во все фазы развития растений, но необходимо учитывать, что на различных этапах онтогенеза избыток или недостаток влаги по разному сказывается на приросте биомассы и интенсивности испаре-

ния сельскохозяйственных культур.

Проведенные исследования позволили получить зависимость влияния влажности почвы и гидрометеорологических условий на суммарное испарение кормовой свеклы в различные фазы ее развития, описываемую уравнением параболы вида:

7?Т

— = Л + (7)

где ЕТ—суммарное испарение, мм/сут; испарение с водной поверхности, мм/сут; 1¥о = ()¥н + Жк) (2Й/Яд)"1; , - влагозапасы в почве на начало и конец расчетного периода, мм; 1¥нн - влагозапасы при влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости почвы, мм; А0, А/,А2~ параметры уравнений, определенные по фазам развития кормовой свеклы.

Корреляционные отношения для полученных эмпирических зависимостей составляют по фазам развития соответственно 0,80; 0,81; 0,78; 0,84.

Полученные экспериментальные зависимости влияния почвенных влагозапа-сов на суммарное испарение для различных фаз развития кормовой свеклы, необходимо учитывать при расчетах по моделям, с целью повышения их точности.

В пятой главе изложена методика прогноза и оперативного планирования орошения, проведена оценка точности расчетных методов и представлена энергетическая и экономическая оценка дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы.

Для повышения точности прогнозных расчетов по моделям необходимо учитывать влияние на суммарное испарение и урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе и кормовой свеклы, закономерности изменения влажности в расчетном слое почвы и гидрометеорологических условий. Установлено, что наиболее точно количественная оценка взаимного влияния указанных факторов может быть получена при использовании нелинейных математических зависимостей, а максимальная теснота связи наблюдается при аппроксимации экспериментальных данных параболическими зависимостями.

Гидрометеорологические факторы имеют различную пространственную изменчивость, причем для конкретной почвенно-климатической зоны эта изменчивость меньше, чем временная для степной зоны юга России (В.И. Ольга-

ренко, Г.В. Ольгаренко). Следовательно, влияние гидрометеорологических факторов следует оценивать путем получения эмпирических зависимостей для конкретных почвенно-климатических зон.

С целью получения региональных зависимостей для условий сухостепной зоны Ростовской области была проведена математическая обработка рядов наблюдений по метеостанции х. Веселого за 30- летний период температуры и относительной влажности воздуха, испаряемости, осадков.

Для повышения точности изучаемых параметров использованы величины отклонений их от среднемноголетних значений за расчетный период

АЕТ = /(А/ :Аг:АР: АЕж ) (8)

Отклонения суммарного испарения и испаряемости от их среднемноголетних величин выражены модульными коэффициентами суммарного испарения Кш и испаряемости К^ :

ЕТЛ

К АЕТ ='

ЕТ

Кл

(9)

(10)

где ЕТф,ЕШФ- фактические значения суммарного испарения и испаряемости

по данным метеостанции с учетом экспериментальных данных, мм; ЕТ, Е среднемноголетние значения суммарного испарения и испаряемости, мм.

К„

ЕТф ЕТ

1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0.8 0,7 0,6 0.5 0,4

г-0,93

Диапазон применимости. 500 мм <Е,„< 800 мм

кА

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

Рисунок 4 - Зависимость относительных отклонений суммарного испарения от испаряемости

Получена региональная зависимость (рисунок 4) относительных отклонений суммарного испарения и испаряемости от их среднемноголетних значений,

отражающих взаимосвязь ЕТ =/(Ер):

Кмг = 0,051^ + 1.39*^ - 0,45 (11)

Для решения задач прогнозирования и расчета проектных и эксплуатационных дифференцированных режимов орошения был разработан алгоритм, включающий блоки исходной информации, нормативно-справочной информации и порядок расчета параметров водного баланса (рисунок 5).

На основе разработанного алгоритма с применением уточненных параметров моделей проведены расчеты дифференцированных эксплуатационных режимов орошения для характерных лет по тепловлагообеспеченности вегетационного периода для полузасушливой степной зоны Ростовской области (таблица 4).

Таблица 4 - Оперативный план дифференцированного режима орошения

кормовой свеклы

Годы обеспеченности Испаряемость, мм Осадки, мм Суммарное испарение, мм Режим орошения

сроки норма, мм

«Среднесухой» 800 160 530 1,06 40,0

(25%) 15,06 40,0

МсР=360мм 1,07 40,0

10,07 40,0

25,07 40,0

5,08 40,0

15,08 40,0

30,08 40,0

15,09 40,0

«Средневлажный» 670 250 470 15,06 40,0

(75%) 1,07 40,0

МсР=200мм 1,08 40,0

20,08 40,0

10,09 40,0

При дефиците водных, энергетических, материально-технических и других видов ресурсов оптимальное управление орошением обеспечивает реализацию таких норм водопотребления, при которых достигается наиболее выгодное распределение фактически имеющихся ресурсов между конкурирующими полями в севообороте, ориентированное на получение максимального эффекта от вынужденного снижения водообеспеченности расчетного слоя почвы.

Для определения точности прогнозирования была произведена сравнительная

оценка моделей расчета суммарного испарения по формулам В.П. Остапчика /12/,

Исходная и нормативно- справочная информация: ^Мн, ^ г, у, с1, К\у, Р, п; вид культуры, дата начала расчета, ш, у. Ь, М,гн, \¥пп А, В, К,,_

..................... .. , ...... ................

Определение уровней прогнозирования при дефиците водных ресурсов: фазы развития Ф„ \У„ т„у„ N._

* — :

Ввод информации за период: 1, г, <1^, Р, т, у, ЕТ

Расчет испаряемости: Еи>=А(ск[>) , К^-,

I ' __ I

Расчет суммарного испарения: ЕТ=ЕТ К^К,, Составляющие водного баланса: У{*г> Уу

I

Расчет конечных влагозапасов: Шк=^'н+Р+М+Уёг - ЕТ -

Расчет поливной нормы гп = ЮуЬС^н,,- Wrln)

Остановка счета

\Ун, Шк - ипатшапасы почвы на начало и конец расчетного периода, мм; I - среднесуточная температура воздуха, "С; г - относительная влажность воздуха, %; Кк - биоклиматические иочффициенгы (уточненные автором); Ко - микроклиматический коэффициент; Ку/ - коэффициент, учитывающий влияние влажности почвы (уточненные автором); Р - осадки, мм;\^г — подии пса грунтовыми водами (по С.И. Харченко ); инфильтрация; т - поливная норма; у - плотность почвы, т/м'; \Virn, Wlш - влагозапасы при влажности, соответствующей наименьшей влгоемкости и критической влажности; п - расчетный период, дней; ЕТ - суммарное испарение, мм; Еда - испаряемость, мм; 1 - изменение параметров от шах до тт; № - число поливов; КДЫ=ЕТ/ЕТ; КДЕЖ= Еу, /Е^; ЕТ и Е№ - средвемиоголетние величины

Рисунок 5. - Алгоритм прогнозных расчетов и оперативного планирования поливов

С.И. Харченко /13/ и полученными экспериментальными зависимостями /14/. В качестве расчетных моделей применялись следующие выражения:

Расчитываемые по моделям /12-14/ величины сравнивались с фактически независимыми данными, полученными для условий Ростовской области Е.Б. Гер-ценштейном в 1984-1986 г.г. и РосНИИПМ в 1967-1977 г.г.

Коэффициент, являющийся критерием качества расчетных методов rj, составил 0,42 при расчетах по формуле /12/, что указывает на то, что данная методика может давать существенные ошибки. При расчетах по формуле /13/ 71=0,79 - следовательно методику можно признать удовлетворительной. При расчетах по формуле /13/, предлагаемой автором, г|=0,93 - следовательно, методику расчета можно признать хорошей в соответствии с существующей стандартной методикой оценки качества прогнозов.

Применение уточненных зависимостей в математических моделях для управления орошением повышает точность расчетов суммарного испарения, динамики влагозапасов и поливных норм на 15...20%, а следовательно и эффективность управления использованием водных ресурсов. В итоге снизятся потери оросительной воды на инфильтрацию и сток, интенсивность развития ирригационной эрозии, что улучшит экологическую обстановку на орошаемых землях.

Наиболее энергетически выгодным является вариант с регулированием диапазона влажности расчетного слоя почвы в пределах 0,8НВ-НВ, коэффициент энергетической эффективности составил 2,07. В структуре суммарных энергетических затрат по производству свеклы на долю орошения приходится 29,8% в средний по обеспеченности дефицита естественного увлажнения период вегетации; в «среднесухой» год доля затрат на орошение увеличивается до 36%, а «средневлажный» - снижается до 22%.

ET — Крт Е,

— JN-EX C-w

(12)

(13)

(14)

ET1=KETEW(WH+WK)/2Whb ЕТ2 = ЕТ*КДет*Ко

Основные выводы

1. На основе информационно-аналитических исследований предложены модели исследуемого объекта и структурной схемы повышения эффективности управления технологическим процессом орошения сельскохозяйственных культур.

2. Теоретические и экспериментальные иследования позволили усовершенствовать методику прогноза суммарного испарения и расчета эксплуатационных режимов орошения кормовой свеклы, а также разработать модель, алгоритм и программу для прогнозных расчетов на ЭВМ, учитывающие изменчивость гидрометеорологических факторов и влажность почвы.

3. Усовершенствована методика определения суммарного испарения за счет введения в расчетные зависимости полученных региональных биоклиматических коэффициентов, позволяющая повысить точность определения величин суммарного испарения и динамики водного режима почвы на 15...20 %.

4. В структуре водного баланса кормовой свеклы на сотавляющие элементы суммарного испарения приходилось в «среднесухой» год на оросительную норму - 68%; осадков - 29%; почвенных влагозапасов - 3%; в «средний» год соответственно - 55%, 41%, 4%; в «средневлажный» - 42%, 51%, 7%. Максимальное среднесуточное суммарное испарение кормовой свеклы отмечено в фазу интенсивного отрастания листьев и составило 6 мм/сут.

5. Дифференциация поливных норм в течение вегетационного периода для лет различной обеспеченности по дефициту естественного увлажнения приводила к изменению урожайности и суммарного испарения. В среднем за годы исследований снижение оросительных норм на 20% и 40% приводило к снижению урожайности свеклы на 11% и 25%, а суммарного испарения на 7% и 14%. Причем в «среднесухой» год урожайность снижалась на 16% и 33%, в «средний» на 13% и 26%, а в «средневлажный» 9% и 17%.

6. Дифференциация поливных норм по фазам развития свеклы привела к различному уровню урожайности и величинам суммарного испарения. Так, пропуск полива в фазу интенсивного роста приводил к снижению оросительной нор-

мы на 10%, а урожайности на 22%, в начале вегетации, при аналогичном снижении оросительной нормы, урожайность снижалась на 5%. Максимальное снижение урожайности отмечено в фазу интенсивного накопления массы корнеплода. Так, при дифференциации поливных норм от 0 до 1,2 т урожайность изменялась от 40,7 т/га до 55,8 т/га при изменении суммарного испарения от 516 до 549 мм.

7. Установлены эмпирические зависимости урожайности от дифференцированных поливных норм в различные фазы развития растений, описываемые уравнениями парабол с корреляционными отношениеми от 0,96 до 0,98; которые могут быть применены при оптимизации дифференцированных режимов орошения в условиях дефицита водных и энергетических ресурсов.

8. Получены зависимости суммарного испарения от урожайности и урожайности от оросительных норм, дифференцированных по дефициту естественного увлажнения, имеющие соответственно степенной и параболический вид, корреляционные отношения которых составили - 0,71; 0,87; 0,92 и 0,91.

9. Предложена региональная эмпирическая зависимость расчета испаряемости по данным наблюдений метеостанций, имеющая степенной вид с корреляционным отношением 0,92; а также зависимость относительных отклонений суммарного испарения от испаряемости, выраженная уравнением параболы с корреляционным отношением 0,93.

10. Расчетами экономической и энергетической эффективности возделывания кормовой свеклы, при дифференциации поливов по уровню их влаго-обеспеченности, установлено изменение рентабельности от 70,3% до 114,0%, а коэффициента энергетической эффективности - соответственно от 1,62 до 2,07.

Использование усовершенствованных методик прогнозирования и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения обеспечивают экономию оросительной воды до 600 м3/га, дизельного топлива до 20 кг/га и денежных средств в среднем до 300 руб /га.

Экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий в АО «Нива» Веселовского района Ростовской области на площади 50 га составил 2000 руб/га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ

1. Применять дифференцированные режимы орошения в зависимости от тепловлагообеспеченности года и уровня планируемой урожайности. Так, в «среднесухой» по обеспеченности год рекомендуется проведение 9 поливов, оросительной нормой 370 мм; в «средний» год - 7 поливов нормой 300 мм, а в «сред-невлажный» - 4 полива оросительной нормой 210 мм для получения 50 т/га свеклы в полузасушливой степной зоне Ростовской области.

2. Использовать для нормирования эксплуатационных режимов орошения методику расчета, учитывающую влияние .изменчивости гидрометеорологических условий и величины влажности почвы на суммарное испарение и урожайность посевов свеклы.

3. При обосновании проектных и эксплуатационных режимов орошения, для ресурсо-энергосбережения учитывать полученные зависимости влияния дифференциации поливных норм по фазам развития на урожайность свеклы и результаты их энерго-экономической оценки.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Ольгаренко Г.В., Ольгаренко И.В. Повышение точности расчета суммарного испарения. //Материалы Всероссийской научно-практической конференции. «Кадры и научно-технический прогресс в мелиорации». Новочеркасск, 1997. - с. 101 -103 (70% соискатель).

2. Ольгаренко И.В. Повышение эффективности орошения. //Сборник научных трудов «Актуальные вопросы мелиорации и использования природных и техногенных ландшафтов». Новочеркаск, 1998. - с. 196-197.

3. Ольгаренко И.В. Рациональное нормирование орошения люцерны. // Тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции «Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степных и лесостепных районах России (итоги и опыт за 50 лет, задачи на ближайшую перспективу)». Волгорад, 1998. - с. 177-178.

4. Ольгаренко И.В. Водо-сберегающие технологии орошения свеклы и картофеля в условиях Ростовской области. //Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 65-летию со дня рождения академика Б.Б. Шумакова. 4.1- «Мелиорация, эксплуатация, охрана природы и комплексное использование водных ресурсов». Новочеркасск, 1998. - с. 20-23.

5. Ольгаренко Г.В.. Ольгаренко И.В., Ткачева O.A. Расчет суммарного испарения при оперативном планировании поливов. //Мелиорация антропогенных ландшафтов. Т.7 «Охрана и использование водных ресурсов Юга России». Новочеркасск, 1999. - с.87-93 (70% соискатель).

6. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Ольгаренко И.В. Эксплуатация экологически ориентированных оросительных систем. //Мелиорация антропогенных ландшафтов. Т.7 «Охрана и использование водных ресурсов Юга России». Новочеркасск, 1999. - c.l 11-115 (60% соискатель).

7. Ольгаренко И.В. Совершенствование методологии расчета режима орошения и водопотребления кормовой свеклы.// Актуальные вопросы повышения эффективности водных мелиораций в Южном Федеральном округе (материалы научной статьи «Эксплуатация гидромелиоративных систем» отделения Земледелия, мелиорации и лесного хозяйства Россельхозакадемии. Новочеркасск, 2000,- с.141-144.

8. Ольгаренко И.В. Режим орошения и водопотребления кормовой свеклы для условий Ростовской области //Материалы международной конференции «Экологические проблемы мелиорации». М: 2002. - с.274-276.

9. Ольгаренко Г.В., Ольгаренко И.В. Оценка суммарного испарения аг-роценозов с учетом пространственной и временной изменчивости гидрометеорологических условий //Актуальные проблемы эколого-ландшафтного подхода к мелиорации земель.-Материалы научной секции «Эксплуатация гидромелиоративных систем» Отделения земледелия, мелиорации и лесного хозяйства Россельхозакадемии. Новочеркасск, НГМА, 2002.- с.35-40 (60% соискатель).

Подписано в печать 01.08.2003 г. Объем 1,0 п.л. Формат 60x84 1/16 Заказ 53 Тираж 120 экз.

Типография НГМА, ул. Пушкинская, 111; г. Новочеркасск

I

г

i 1342 6

2ооЗг-Д

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ольгаренко, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ КОРМОВОЙ СВЁКЛЫ В РАЗЛИЧНЫХ ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕС-КИХ ЗОНАХ РОССИИ.

1.1 Особенности возделывания и эффективность орошения свёклы в полузасушливой стенной зоне Ростовской области.

1.2 Прогноз методов нормирования водопотребления и расчета режимов орошения.

Выводы.

2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Рабочая гипотеза научных исследований.

2.2 Почвенно-климатические условия объекта исследований.

2.3 Методика исследований.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ОРОШЕНИЯ И ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ КОРМОВОЙ СВЕКЛЫ.

3.1 Дифференцированные режимы орошения свёклы.

3.2 Суммарное испарение и урожайность кормовой свёклы при различных уровнях влагообеспеченности.

3.3 Влияние дифференцированных по фазам развития кормовой свёклы режимов орошения на урожайность и суммарное испарение.

Выводы.

4. ПРОГНОЗ И ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ОРОШЕНИЯ КОРМОВОЙ СВЁКЛЫ.

4.1 Обоснование метода прогноза нормирования водопотребления и режимов орошения кормовой свёклы.

4.2 Влияние гидрометеорологических условий и влажности почвы на суммарное испарение и урожайность кормовой свёклы.

4.3 Расчетные методы определения испаряемости по гидрометеопараметрам.

Выводы.

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫХ

РЕЖИМОВ ОРОШЕНИЯ.И

5.1 Прогноз суммарного испарения и дифференцированных режимов орошения с учетом изменчивости гидрометеорологических факторов

5.2 Оценка точности расчетных методов определения суммарного испарения кормовой свёклы.

5.3 Оценка экономической и энергетической эффективности дифференцированных режимов орошения.

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Прогноз и оперативное планирование дифференцированных режимов орошения кормовой свеклы на обыкновенных черноземах Ростовской области"

Актуальность работы. На конгрессе МКИД в Рио-де-Жанейро подчеркнуто, что главной целью водохозяйственных организаций является улучшение управления водными ресурсами для обеспечения продовольственной безопасности и экологической устойчивости /I, 2, 3/.

Повышение качества прогноза планирования орошения и совершенствование информационных технологий для различных уровней урожайности сельскохозяйственных культур даст возможность повысить эффективность использования материально-технических, энергетических, водных и других видов ресурсов, минеральных удобрений и обеспечит экологическую безопасность оросительных систем, /И.П.Айдаров, М.С.Григоров, Е.П.Галямин, Ю.П.Добрачев, И.П.Кружилин, В.И. Ольгаренко, Л.М.Рекс, Б.Б. Шумаков, В.Н.Щедрин и др./.

Поэтому совершенствование расчетных методов нормирования орошения и информационного обеспечения технологий прогноза является актуальной проблемой мелиоративной науки и практики.

В степной зоне наиболее эффективно возделывание овощных и кормовых культур и в том числе кормовой свёклы. Анализ научно-технических материалов и практического опыта указывает на недостаточность информации, необходимой для совершенствования процесса прогноза нормирования орошения. Проведение информационно-аналитических и экспериментальных исследований в этом направлении позволит получить исходные данные, необходимые для повышения точности расчетных методов прогнозирования и оперативного планирования норм водопотребления и дифференцированных режимов орошения сельскохозяйственных культур.

Цель работы: совершенствование методики прогнозирования и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения кормовой свёклы на основе повышения точности расчетов испаряемости, суммарного испарения и поливных норм, с учетом влияния ппространственно-временной изменчивости гидрометеорологических факторов, влажности почвы и уровня урожайности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• сбор и анализ научно технической информации по совершенствованию управления орошением , эффективности возделывания кормовой свёклы;

• анализ методов прогнозирования и оперативного планирования режимов орошения сельскохозяйственных культур, и обоснование направлений их совершенствования;

• изучение динамики водного баланса, суммарного испарения, испаряемости и урожайности кормовой свёклы при различном уровне дифференциации режимов орошения и изменении гидрометеорологических факторов;

• совершенствование методики прогноза суммарного испарения и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения кормовой свёклы на основе повышения точности и достоверности информационного обеспечения, учета уровня урожайности, изменчивости гидрометеорологических УСЛОВИЙ И ВЛИЯНИЯ ВЛаЖНОСТИ ПОЧВЫ;

• выполнение комплексной оценки экономической и энергетической эффективности методики прогноза дифференцированных режимов орошения кормовой свёклы с учетом структуры ресурсозатрат.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- установлены закономерности влияния изменчивости гидрометеорологических условий и режимов орошения на структуру водного баланса, суммарное испарение, испаряемость и урожайность кормовой свёклы;

- предложена методика прогноза суммарного испарения, планирования и расчета дифференцированных режимов орошения кормовой свёклы с учетом изменчивости гидрометеорологических факторов;

- разработаны модель, алгоритм, программа и справочно-информационная база данных для расчетов на ЭВМ дифференцированных режимов орошения учитывающих влияние изменчивости гидрометеорологических факторов и влажности почвы ;

- получены эмпирические зависимости, характеризующие влияние режимов орошения и фаз развития кормовой свеклы на суммарное испарение и урожайность;

- установлены параметры к математическим моделям для прогнозных расчетов испаряемости, суммарного испарения и режимов орошения кормовой свёклы для конкретных почвенно-климатических условий.

На защиту выносятся:

- количественные параметры влияния гидрометеорологических условий на испаряемость, режимы орошения, суммарное испарение, структуру водного баланса и урожайность кормовой свёклы;

- модель прогноза и состав справочно-информационной базы данных для оперативного планирования поливов сельскохозяйственных культур;

- усовершенствованные методики прогнозирования суммарного испарения и расчета эксплуатационных режимов орошения кормовой свёклы, уточненные биоклиматические коэффициенты, учитывающие влияние изменчивости гидрометеорологических факторов и влажности почвы ;

- эмпирические зависимости , характеризующие влияние величин оросительных норм на урожайность кормовой свёклы, а также взаимосвязь поливных норм, дифференцированных по фазам развития растений, на суммарное испарение и урожайность кормовой свёклы;

- алгоритм для расчета на ЭВМ норм орошения под планируемый урожай кормовой свёклы с учетом изменчивости гидрометеорологических факторов;

- дифференцированные режимы орошения кормовой свёклы, ориентированные на различный уровень естественной тепловлагообеспеченности, влажности почвы и урожайности.

Практическая значимость работы. Разработаны и внедрены рекомендации по прогнозированию и оперативному планированию дифференцированных режимов орошения кормовой свёклы на основе повышения точности расчетов испаряемости и норм водопотребления с использованием современного информационного обеспечения и применения ЭВМ для конкретных почвенно-климатических условий, обеспечивающих рациональное использование водноэнергетиченских ресурсов, повышение урожайности и улучшение экологической обстановки на орошаемых землях.

Результаты исследований рекомендуется использовать при проектировании оросительных систем и отдельных участков орошения; при прогнозировании и оперативном управлении эксплуатационными режимами орошения кормовой свеклы на современном уровне хозяйствования, а также на перспективу при условии широкого внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами на оросительных системах с использованием ЭВМ при наличии дефицитов на интегральные ресурсы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях, проводимых ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» в период с 1998 по 2002 годы; на II Международной конференции «Экология, гидроэкология и экономика минерального сырья» в 1999 году, г. Новочеркасск; на V Международной научно-технической конференции «Экономика и политика в области природообустройства» в 1999 году, г. Ростов-на-Дону; на Международной научной конференции (Костяковские чтения) « Экологические проблемы мелиораций» в 2002 году, г. Москва; на заседаниях научной секции

Россельхозакадемии «Эксплуатация гидромелиоративных систем» в 2000 -2002 годах, г. Новочеркасск.

Реализация работы. Материалы исследований вошли составной частью в тематику научно-исследовательских работ, выполняемых по отраслевой научно-технической программе МСХ РФ «Плодородие почв», а также в тематику НМЦ Россельхозакадемии по проблеме 10.02.

Результаты исследований внедрены в АО «Нива» Веселовского района Ростовской области на площади 50 га, экономический эффект составил 2000,0 руб./га. Расчетами экономической и энергетической эффективности возделывания кормовой свеклы, при дифференциации посевов по уровню их влагообеспеченности, установлено изменение рентабельности от 70,3% до 114,0%, а коэффициента энергетической эффективности соответственно от 1,62 до 2,07.

Использование усовершенствованной методики прогнозирования и оперативного планирования дифференцированных режимов орошения л обеспечивает экономию оросительной воды до 600 м /га, дизельного топлива до 20 л/га и денежных средств в среднем до 300 руб/га.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, предложений производству и изложена на 149 страницах текста компьютерного набора и включает 48 таблиц, 22 рисунка и 3 приложения. Список использованных источников содержит 165 наименований, в том числе 14 иностранных источников.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Ольгаренко, Игорь Владимирович

Выводы

1. Суммарное испарение кормовой свёклы характеризуется временной изменчивостью, вызванной как влиянием изменчивости метеорологических факторов, так и качественными изменениями растений в течение вегетационного периода. Установлено, что временная изменчивость гидрометеорологических факторов выше, чем пространственная для полузасушливой степной зоны Ростовской области. Определяющее влияние на водный режим агроландшафтов оказывает природная влагообеспечен-ность, а наибольшая теснота связи (коэффициент корреляции 0,96) отмечена между суммарным испарением и испаряемостью

2. Нормирование дифференцированных режимов орошения основанное на усовершенствованном биоклиматическом методе позволяет рассчитать суммарное испарение посевов свеклы с учетом влияния влажности почвы и изменчивости гидрометеорологических условий конкретного года.

3. Разработан алгоритм, позволяющий рассчитать величины суммарного испарения, подпитки грунтовыми водами и инфильтрацию, получить сезонную динамику дефицита водопотребления, проектные и эксплуатационные режимы орошения, дифференцированные во времени и пространстве. Применение усовершенствованного метода расчета суммарного испарения повышает точность определения режимов орошения на 15-20 % по сравнению с существующими методами, теснота связи расчетных данных с фактическими характеризуется коэффициентом корреляции 0,86.

4. Установлено, что экономически эффективным является вариант режима орошения, обеспечивающий регулирование влажности расчетного слоя почвы в пределах 0,8НВ-НВ, максимальная прибыль составила 14358 руб./га, а уровень рентабельности 114 %.В структуре затрат на орошение приходится 19,9 %, удобрения и семена 21,4 %, горюче-смазочные материалы 10,7 %.

5. По энергетическим показателям все варианты режимов орошения могут считаться энергетически эффективными. Наиболее энергетически выгодным является вариант с регулированием диапазона влажности расчетного слоя почвы в пределах 0,8НВ-НВ, коэффициент энергетической эффективности составил 2,07. В структуре суммарных энергетических затрат по производству свёклы на долю орошения приходится 29,8 % в средний по обеспеченности дефицита естественного увлажнения периода вегетации, в "среднесухой" год доля затрат на орошение увеличивается до 36 %, в " средневлажный" снижается до 22 %.

Заключение

1. На основе информационно-аналитических исследований предложены модели исследуемого объекта и структурной схемы повышения эффективности управления технологическим процессом орошения сельскохозяйственных культур.

2 Теоретические и экспериментальные исследования позволили усовершенствовать методику прогноза суммарного испарения и расчета эксплуатационных режимов орошения кормовой свеклы, а также разработать модель, алгоритм и программу для прогнозных расчетов на ЭВМ, учитывающие изменчивость гидрометеорологических факторов и влажность почвы.

3. Усовершенствована методика определения суммарного испарения за счет введения в расчетные зависимости полученных региональных биоклиматических коэффициентов, позволяющая повысить точность определения величин суммарного испарения и динамики водного режима почвы на 15.20%.

4. В структуре водного баланса кормовой свеклы на составляющие элементы суммарного испарения приходилось в «среднесухой» год на оросительную норму 68%; осадков - 29%; почвенных влагозапасов - 3%; в «средний» год соответственно - 55%, 41%, 4%; в «средневлажный» - 42%, 51%, 7%. Максимальное среднесуточное суммарное испарение кормовой свеклы отмечено в фазу интенсивного отрастания листьев и составило 6 мм/сут.

5. Дифференциация поливных норм в течение вегетационного периода для лет различной обеспеченности по дефициту естественного увлажнения приводила к изменению урожайности и суммарного испарения. В среднем за годы исследований снижение оросительных норм на 20% и 40% приводило к снижению урожайности свеклы на 11% и 25%, а суммарного испарения на 7% и 14%. Причем в «среднесухой» год урожайность снижалась на 16% и 33%, в «средний» на 13% и 26%, а в «средневлажный» 9% и 17%.

6. Дифференциация поливных норм по фазам развития свеклы привела к различному уровню урожайности и величинам суммарного испарения. Так, пропуск полива в фазу интенсивного роста приводил к снижению оросительной нормы на 10%, а урожайности на 22%, в начале вегетации, при аналогичном снижении оросительной нормы, урожайность снижалась на 5%. Максимальное снижение урожайности отмечено в фазу интенсивного накопления массы корнеплода. Так, при дифференциации поливных норм от 0 до 1,2 m урожайность изменялась от 40,7 т/га до 55,8 т/га при изменении суммарного испарения от 516 до 460 мм.

7. Получены экспериментальные зависимости урожайности от дифференцированных поливных норм в различные фазы развития растений, описываемые уравнениями парабол с корреляционными отношениеми от 0,96 до 0,98, которые могут быть применены при оптимизации дифференцированных режимов орошения в условиях дефицита водных и энергетических ресурсов.

8. Получены зависимости суммарного испарения от урожайности и урожайности от оросительных норм, дифференцированных по дефициту естественного увлажнения, имеющие соответственно степенной и параболический вид, корреляционные отношения которых составили - 0,71; 0,87; 0,92 и 0,91.

9. Получена региональная эмпирическая зависимость расчета испаряемости по данным наблюдений метеостанций, имеющая степенной вид с корреляционным отношением 0,92; а также зависимость относительных отклонений суммарного испарения от испаряемости, выраженная уравнением параболы с корреляционным отношением 0,93.

10. Установлены закономерности изменения биоклиматических коэффициентов в зависимости от фазы развития растений , влажности почвы, гидрометеорологических условий. Средние значения коэффициентов, определенных по испаряемости составляют 0,78, а в течение вегетационного периода они изменялись от 0,52 до 1,2. Зависимость величин суммарного испарения от влажности почвы описывается параболическими уравнениями, корреляционное отношение для которых составило соответственно по фазам развития 0,80;0,81;0,78;0,84.

11. Установлено, что экономически эффективным является вариант режима орошения , обеспечивающий регулирование влажности расчётного слоя почвы в пределах 0.8НВ - НВ, максимальная прибыль составила 14358 руб./га, а уровень рентабельности 114%.В структуре затрат на орошение приходится 19,9%, удобрения и семена 21,4%, горюче-смазочные материалы 10,7%.

12.По энергетическим показателям все варианты режимов орощения могут считаться энергетически эффективными. Наиболее энергетически выгодным является вариант с регулированием диапазона влажности расчётного слоя почвы в пределах 0.8НВ - НВ, коэффициент энергетической эффективности составил 2,07. В структуре суммарных энергетических затрат по производству свёклы на долю орошения приходится 29,8% в " средний " по обеспеченности дефицита естественного увлажнения периода вегитации ; в " срднесухой " год доля затрат на орошение увеличивается до 36%, в " средневлажный " год снижается до 22%.

Предложения по производству

1. Применять дифференцированные режимы орошения в зависимости от тепловлагообеспеченности года и уровня планируемой урожайности. Так, в "среднесухой" по обеспеченности год рекомендуется проведение 9 поливов, оросительной нормой 370 мм; в "средний" год - 7 поливов нормой 300 мм, а в "средневлажный" - 4 полива оросительной нормой 210 мм для получения 50 т/га свеклы в полузасушливой степной зоне Ростовской области.

2. Использовать для нормирования эксплуатационных режимов орошения методику расчета, учитывающую влияние изменчивости гидрометеорологических условий и величины влажности почвы на суммарное испарение и урожайность посевов свёклы.

3. При обосновании проектных и эксплуатационных режимов орошения, для ресурсо-энергосбережения учитывать полученные зависимости влияния дифференциации поливных норм по фазам развития на урожайность свеклы и результаты их энерго-экономической оценки.

4. Применять разработанный алгоритм для прогнозирования и оперативного управления орошением при возделывании кормовой свёклы на уровне хозяйств и оросительных систем с учётом усовершенствованных методик расчёта суммарного испарения, испаряемости по полученным эмпирическим зависимостям , обеспечивающих повышение точности расчётов и экономию водно-энергетических ресурсов.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Ольгаренко, Игорь Владимирович, Новочеркасск

1. Концепция мелиорации сельскохозяйственных земель в стране (проект). -М., 1992.-45 с.

2. Материалы конференции ООН по окружающей среде и развитию. -Рио-де-Жанейро, 1992.

3. FAO Production Lcarbook, 1990.

4. Красочкин Ц.Т. Свекла. М.: Сельхозиздат, 1950.-198 с.

5. Шумаков Б.Б., Лобов И.Ф. Кормопроизводство на орошаемых землях. М.: Россельхозиздат, 1977. - 128 с.

6. Храмцов Л.И. Возделывание свеклы на корм в условиях недостаточного увлажнения Северного Кавказа. п.Персиановка: ДСХИ, 1974. - 447 с.

7. Орловский Н.И. Основы биологии сахарной свеклы. Киев: Гос-сельхозиздат, 1961. - 280 с.

8. Бузанов И.Ф. Биология и селекция сахарной свеклы. М.: Колос, 1968.- 196 с.

9. Нечипоренко Н.А. Биологические основы высоких урожаев сахарной свеклы. Алма-Ата: Кайнар, 1966. - 217 с.

10. Игнатова Н.Я. Формирование урожая сахарной свеклы. Алма-Ата: Казсельгиз, 1963. - 186 с.

11. Буренин В.И., Адигезахов И.И., Васильев Ю.В. Выращивание столовой свеклы в нечерноземной зоне РСФСР. М.: Колос, 1983. - 156 с.

12. Шевцов И.А., Фомичев A.M. Биология и агроэкология кормовой свеклы. Киев: Наукова думка, 1980. - С. 118-126.

13. Ларичева М.Д. Селекция кормовых корнеплодов: автореферат на соискание ученой степени доктора с/х наук.-М.:ТСХА, 1975. 48 с.

14. Луканеку М.Ф., Зубин П.Г. Выращивание свеклы на богаре. Сер. биол. и хим. наук., Изв./АНМССР. Кишинев, 1984. - №1.- с.55-58.

15. Ефимов И.Т., Сокиркина А.И. Рекомендации по возделыванию кормовой свеклы при орошении в Ростовской области. Новочеркасск. -НИМИ. 1979.- 15 с.

16. Ковальчук В.П., Коломиец А.П. Пути повышения продуктивности сахарной свеклы и совершенствование технологии ее созревания на орошаемых землях. Киев: ВИИС, 1984. - С 42-48.

17. Кузнецов И.А. Обработка почвы. Агротехника сахарной свеклы. -Краснодар, 1982. 202 с.

18. Иванов П.К. Система обработки почвы в степных районах. М.: Сельхозиздат, 1961. - 217 с.

19. Яценко В.Г. Справочник свекловода. М.: Россельхозиздат, 1977. -106 с.

20. Полевщиков С.И. Водный режим сахарной свеклы в зависимости от способа обработки почвы. //Мелиорация и водное хозяйство. 1997. - № 2. - С. 38-39.

21. Иванов П.К. Система основной обработки в севообороте. //Сельскохозяйственное производство Поволжья. 1967.№2. с. 18-19.

22. Larsen D.C. Water produces growth: Beet growth produces production of susrose // Sugar Producer. 1985. Vol 11 № 2. p. 18-22.

23. Мацюк И.С., Гарчаун А.А. Особенности агротехники получения высоких урожаев кормовой свеклы в Молдавии: Тр. Кишинев: СХИ, 1975. Т. 152.-С. 30-33.

24. Соловьев Г.А. Зависимость урожайности и качества кормовой свеклы от уровня окультуренности дерново-подзолистой почвы и минеральных удобрений //Влияние свойств почвы и удобрений на качество растений. М., 1982.-С. 151-160.

25. Филимонов М.С. Эффективность и научные основы орошаемого земледелия в Поволжье// Проблемы орошаемого земледелия в Поволжья. 1990. - с. 96-101.

26. Кружилин И.П., Мушинский А.С. Урожайность свеклы в зависимости от режимов орошения и доз удобрения. МиВХ. №6. 2002. с. 3436.

27. Петербургский А.С. Агрохимия и физиология питания растений. -М.: Россельхозиздат, 1971. 136 с.

28. Слусар И.Т. Водопотребление кормовой свеклы при разных уровнях грунтовых вод в условиях поймы р. Сухой // Мелиорация и водное хозяйство. 1973. - Вып. 45. - С. 16-20.

29. Потеха Н.Г. Агротехника кормовой свеклы на Кубани. Краснодар: Канал изд-во, 1974. - 80 с.

30. Миронов Ю.Ф., Манин А.И. Влияние поливного режима на водопотребление и продуктивность кормовой свеклы. Прогрессивные способы техники и технологии полива. Новочеркасск: НГМА, 1981. -С. 94-97.

31. Недидов Н.И., Ткачев Н.А. Высокие урожаи кормовой свеклы ежегодно. // Опыт выращивания высоких урожаев на Дону в 1978 году. -Ростов-на-Дону, 1979. С. 68-69.

32. Петров А.В., Краснов B.C. Кормовая свекла. Чебоксары: Чуваш-книгоиздат, 1976. - 80 с.

33. Овсянников В.П., Розанов Н.П. Влияние густоты стояния растений на урожай и качество кормовых корнеплодов при орошении: Науч. тр. / ВоронежСХИ. Воронеж, 1979. Т. 98. - С. 186-190.

34. Кружилин А.С. Биологические особенности орошаемых культур. -М.: Сельхозиздат, 1954. 196 с.

35. Мирошников Н. Опыт выращивания высоких урожаев на Дону в 1979 году. Ростов-на-Дону, 1979. - С. 22-23.

36. Креслиный Э. Влияние дождевания и удобрения на урожай и качество кормовой свеклы. , 1976. - С. 18-20.

37. Герценштейн Е.Б. Технология возделывания кормовой свеклы наорошаемых землях Ростовской области. Рекомендации Госагропром СССР. Новочеркасск: НИМИ, 1987. - 24 с.

38. Стаценко Е.Д. Возделывание сахарной свеклы при орошении в ЧИ-АССР. //Возделывание сахарной свеклы на орошаемых землях Северного Кавказа и Поволжья:// Тр. ЮжНИИГиМ. Новочеркасск, 1963. Вып. IX.-с. 63-66.

39. Константинов А.Р. Методика учета влияния биологических свойств культуры и погодных условий на режим орошения //Биологические основы орошаемого земледелия: Сб.ст. М.: Наука, 1966. - с. 20-26.

40. Алманов И.Е., Бондарев В.А., Киреев В.Н. Полевое кормопроизводство /Под ред. М.А. Смурыгина. М.: Колос, 1981. - 271 с.

41. Филипьев И.Д., Абрашина Е.Г., Криштопа П.А. Изменение качества кормовой свеклы в связи с применением удобрений в условиях орошения: Докл.-М.: ВАСХНИЛ, 1982. №2.-С. 11-13.

42. Данильченко Н.В., Быков В.Г. Импульсное дождевание посевов кормовой свеклы в МССР //Кормопроизводство. 1980. № - 4. - С. 2830.

43. Костяков А.Н. Основы мелиорации. М.: Сельхозиздат,1951. - 456 с.

44. Алпатьев С.М. Водопотребление культурных растений и климат. Режим орошения сельскохозяйственных культур /Под ред. Б.А.Шумакова. М.: Колос, 1965. - 231 с.

45. Ененко И.И., Мокальчук И.А. Свекла на орошаемых землях Заволжья //Сахарная свекла. 1981. - № 6. - с. 22.

46. Ененко И.И., Мокальчук И.А. Продуктивность свеклы на орошении //Сахарная свекла. 1983. - № 3. - с. 24-25.

47. Никульников И.М. О выборе оптимального режима полива // Сахарная свекла. 1981. -№ 7. - с. 25-26.

48. Лымарь А.О., Федоровский А.А. Эффективность удобрений, орошения, предшественников // Сахарная свекла. 1987. - № 2. - с. 26-28.49,50,51.52,53,54