Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Разработка методики расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров при поливе по бороздам

ВАК РФ 06.02.01, Разведение, селекция, генетика и воспроизводство сельскохозяйственных животных

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров при поливе по бороздам"

ОГК МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫй УНИВЕРСИТЕТ 1 I О " ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

- 2 ЯНВ

На правах рукописи МАКСИМОВ Сергей Алексеевич ( УДК 631.674

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПОЛИВЕ ПО БОРОЗДАМ

Специальность 06.0^.0£,— мелиорация и орошаемое земледелие

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЮСКВА 1994

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства.

Научный руководитель — академик Академии водохозяйственных наук, доктор технических наук, профессор Голованов А. И.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор Сурин В. А., кандидат технических наук Губер К. В.

Ведущая организация — ВНПО «Радуга».

Защита состоится « » . . 1995 г.

в . часов на заседании специализированного совета

по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 120.06.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «....»

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат технических наук

Сурикова Т. И.

АВТОРЕФЕРАТ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теки. Опасность возникновения биологических катастроф различного уровня, связанных с деятельностью человека, обуславливает необходимость развития и использования "экологически чистых" енерго- и ресурсосберегающих технологий.

Технологии, используемые при мелиорации земель, к • которым относится бороздковый полив, определяют направление и интенсивность мелиоративного воздействия на окружающую среду и, прежде.. всего, почву, как основной объект етого' воздействия.

Необходимость разрешения противоречия мезду стремлением человека сохранить окружающую среду для будущих поколений, с одной стороны, и удовлетворением потребностей общества в продуктах питания, с другой стороны, приводит нао к необходимости сформулировать требования, предъявляемые к мелиоративным технологиям.

Совокупность этих требований свертывается современной наукой в понятие - мелиоративный режим (И.П.Айдаров, А.И.Голованов, 1986г.).

Мелиоративные технологии самостоятельно либо в сочетании о другими технологиями или мелиоративными приемами призваны обеспечивать выполнение комплекса требований к управляемым факторам почвообразования. Выполнение етих требований, в свою очередь, должно обеспечивать расширенное воспроизводство плодородия почвы, получение рациональной продуктивности сельскохозяйственных культур при экономном использовании водных, земельных, внергетических ресурсов о компенсацией возможного ущерба, наносимого природе .(А.И. Голованов, 1992г.).

Использование расчетов, основанных на упрощенных представлениях о физике процессов переноса влаги при поливе вместе о несовершенством самой технологии приводит к несоблюдению мелиоративного режима на орошаемых землях, нерациональному использованию водных и земельных ресурсов, потерям урожая, ухудшению плодородия земель. ■

Таким образом возникает объективная необходимость развития современной интеллехтульной поддержки новых технологий, разработки более совершенных способов расчета, математических моделей, позволяющих адекватно описывать, прогнозировать и анализировать

возможные варианты развития ситуаций, возникающих при поливе.

Такие модели являются мощным инструментом исследования и позволяют не только раосчитывать и подбирать варианты оптимального сочетания технологических параметров, но и давать еколого - экономическую оценку мелиоративного воздействия на окружающую среду.

Настоящая работа является продолжением проводящейся в МГИ1 серии исследований по углублению теоретических основ еколого - . экономического обоснования мелиоративных технологий, призванных обеспечивать мелиоративный режим сельскохозяйственных земель.

Целью работы является создание методики расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива на основе имитационной математической модели, адекватно описывающей движение воды в борозде и почве при поливе.

Задачи исследований . в соответствии с целью работы формулируются следующим образом:

- провести теоретические и полевые исследования процессов движения воды в борозде, переноса и перераспределения влаги по почвенному профилю в створах и по длине борозды;

- провести теоретические и полевые исследования влияния эффекта бокового растекания на впитывание из борозд, впитывания из борозды при переменном смоченном периметре;

-'разработать математическую модель бороздкового полива, алгоритм решения дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих •динамику влагопереноса в почве и борозде, и реализовать их в виде программ для расчета на ПЭВМ;

- оценить влияние изменчивости водно-физических свойств почвы на расчет технологических параметров бороздкового полива;

- разработать и реализовать сценарии использования разработанной методики-для определения раочетной обеспеченности водно - физических параметров почвы.

Методика и место проведения исследования. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях на опытном участке МГШ, на землях совхоза' "Москва" Андижанской области- УзССР в 1983-1987Г.Г.. .

В процессе работы над диссертацией нами использовались современные методы экспериментальных и теоретических исследований, ЭВМ, современная измерительная техника и оборудование.

Лабораторные работы с использованием стандартных методик по

определению водно-физических свойств почвы опытного участка проводились в лабораториях ЩВД и института "Ферганагипроводхоз". Научная новизна работы заключается в следукщем:

1. Разработана имитационная математическая модель переноса воды и влаги при поливе по бороздам, в основе которой лежат современные представления о физике протекающих при поливе процессов.

2. Получена аналитическая зависимость, позволяющая давать адекватную количественную оценку впитывания из борозд при переменном во времени смоченном периметре.

3- Предложен способ комплексной еколого - вкономической оценки конкретной мелиоративной технологии, позволяющий определить сумму приведенных затрат при проведении полива, включая компенсационные затраты на восстановление плодородия, оценить вклад реального полива в накопление урожая сельскохозяйственной культуры.' К. Проведена серия расчетов, результаты которых позволяют: оценить влияние неоднородности водно-физических свойств почвы на расчеты технологических параметров бороздкового полива; определить расчетную обеспеченность водно-физических свойств почвы. Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Разработана методика расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива.

2. Получена аналитическая зависимость, описывающая процесс впитывания при переменном во времени смоченном периметре.

3. Установлено, что при изменении коэффициента вариации емкостных показателей водно-физических свойств почвы в диапазоне 0.06 — 0.12, а коэффициента фильтрации - 0.3 - 0.9, коэффициент вариации такого технологического параметра, как время добегания изменяется в пределах 0.019 - 0.05, а коэффициент вариации времени полива при тех «е условиях изменяется в пределах 0.3 -0.7.

4. Определено, что минимум потерь поливной воды при минимальном, снижении продуктивности растений удается получить при технологических параметрах полива, оптимизированных для 25% обеспеченности значений водно-физических параметров почвы.

5. Методика расчета и другие ■результаты проведенных исследований могут быть использованы при обосновании технологических параметров ' полива, при проведении расчетов оценочного и прогнозного характера в современной практике проектирования, в качестве инструмента для дальнейших исследования особенностей

движения воды при поливе по бороздам, в качестве средства обучения при подготовке специалистов соответствующего профиля.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в статьях, научно-технических отчетах Проблемной лаборатории и НИСа МИШ (в соавторстве). Результаты исследований докладывались и об-сувдались на научно - технических конференциях МГУП в 1987 -1993г.г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия" (Москва, 198Эг.), на Всесоюзной научно - технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресуроов в сельском хозяйстве" (Новочеркасск, 1989г.).

Основные результаты исследований нашли. применение, при разработке проектов комплексной реконструкции орошаемых земель в Ферганской долине, проводившейся институтом "ФерганаГипроводхоз". Чаоть результатов исследований в . виде отчетов по НИР была ■ передана в САНШРИ.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 208 отраниц машинописного текста, 70 рисунков, 13 таблиц, описок использованной литературы из -116 наименований.

Основное содержание раб от и

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется це'ль работы, задачи исследований. Приводятся ооновные результаты работы, ее научная новизна, и практическая ценность, а также содержатся сведения об апробации работы, структуре и объеме работы.

В первой главе проводится анализ современного состояния теории бороздкового полива.

Первая значительная работа по теории бороздкового полива была сделана А.Н. Костяковым. В ряду наиболее известных исследователей можно отметить работы таких ученых, как: К. Бозоки-Сесич, С.С. Ванеяна, К.А. Жаровой, Г.Л. Журавской, P.M. Киладзе, С.М. Кривовяза, В.Ф. Кулинченко, Н.Т. Лактаева, А.Н'. Ляпинв, И.В. Мас-лова, В.Ф. Носенко, Н.К. Нурматова, В.А. Сурина, И.А. Шарова, Г.Ю. Шейнкина, М.И. Усиановой, Р. Хаверкампа, Элиота и др.

Среда современных подходов к определению функциональных зависимостей, составляющих основу теории бороздкового полива можно выделить: эмпирический, теоретический, эвристический, имитационное математическое моделирование. В нашей работе предпочтение, по ряду объективных причин, отдается моделированию.

Анализ работ, посвященных теории бороздкового полива, показал, что в большинстве известных на сегодняшний день зависимостей, описывающих впитывание из борозд, не учитываются водно - физические свойства почвы, такие, как ОГХ, коэффициент влагопровод-ности, которые, по существу, определяют втот процесс.

Известные по литературным источникам методики расчета технологических параметров несовершенны и не позволяют адекватно оценить варианты их сочетания в конкретных природно - климатических условиях, а также, не учитывают в полной мере комплекс факторов, влияющих на движение вода при поливе.

Подбор оптимального варианта сочетания технологических параметров, как правило, осуществляется в ходе сравнения результатов расчета, выполненых с использованием ранее определеннх . функциональных зависимостей. При этом, подход к оценке оптимальности сочетания технологических параметров бороздкового полива, в основе которого лежит прежде всего стремление обеспечить наилучшие условия для роста и развития сельскохозяйственных растений, приводит к забвению интересов охраны окружающей среды и сохранения плодородия почв на орошаемых землях.

Во второй главе рассматриваются природно-климатические условия опытного участка, на котором проводились полевые опыты.

Выбор места для проведения полевых експериментов был ориентирован на регионы, где бороздковый полив является традиционно доминирующим. Выяснилось, что наибольшую остроту наши исследования имеют именно при орошении адырных земель Ферганской долины.

Опытный участок, в выборе места для которого нэ последнюю роль сыграли также чисто технические и организационные соображения, расположен в Ферганской долине на Тещикташском адырном массиве в Андижанской области на землях совхоза "Москва" и по геоморфологическим, геологическим, почвенным, климатическим условиям является типичным для адырных массивов юго-восточной части Ферганской долины.

Рельеф адыров может быть охарактеризован как низкогорный или крупно-холмистый, развивающийся на молодых тектонических структурах. Строение адыров в основном антиклинальное, местами моноклинальное. Степень их расчлененности зависит от литологического состава пород. Абсолютная высота адыров колеблется от 800 до 1200 м, а относительная от 100 до 400 м. Уклоны поверхности земли ады-

ров - 0.05...0.3 и более, уклоны предгорных, равнин у Подножия гор - О.05...0.1.

Климат Ферганской долины определяется своеобразием ее географического положения и несколько отличается по районам в зависимости от их высотного положения, близости к горам и удаления от западной открытой наиболее^ засушливой и подверженной ветровому воздействию части долины и, в целом, относится к резко континентальному типу субтропического климата.

Почвы опытного учаотка представлены типичным сероземом. Поч-вообразующими породами являются лессы и лессовидные суглинки.

Почвы - пылеватые гипсировашше, в отдельных местах -обильно известковистые просадочные. Естественная влажность 0.05-0.19 в долях от объема почвы. Коэффициент фильтрации метрового слоя почвы 0.3-0.4 м/сут, высота капиллярного поднятия 2.0-2.5 н, плотность 1.2-1.4-5 г/см.куб, плотность твердой фазы 2.68-2.75 г/см.куб, пористость 0.42-0.55 объема почвы, максимальная молекулярная влагоемкость 0.15-0.22, максимальная гигроскопичность 0.08-0.1, предельная полевая влагоемкость 0.25-0.31.

Грунтовые вода залегают на большой глубине. По типу естественной дренированности територию опытного участка можно отнести к интенсивно - дренированной.

В третьей глава изложена методика проведения полевых, опытов по изучению особенностей переноса воды в борозде и влага в почве при поливе, приводятся основные результаты полевых опытов, а также их анализ.

Основной целью наших опытов являлось получение собственных экспериментальных данных о динамике отдельных параметров, отражающих особенности влагопереноса'при поливе по бороздам и необходимых для проверки адекватности разрабатываемой нами математической модели..

В соответствии с втим полевые вксперименты можно разделить на вксперименты по изучению процесса впитывания и перераспределения влаги в почве при поливе по бороздам и вксперименты по изучению гидравлических и морфомэтрических параметров поливных струй.

Для изучения динамики одномерного впитиватя в данных условиях и сопоставления их с результатами опытов по впитыванию из борозд был проведен ряд опытов на площадках сплошного затопления.

На опытном участке были проведены три,серии экспериментов по

изучению динамики впитывания из борозд:

- серия А-1 - с постоянным во времени смоченным периметром;

- серия А-2 - с переменным смоченным периметром;

- серия А-3 - равномерность увлажнения по длине борозда.

Количественные значения параметров, характеризующих впитывание и движение влаги в почве в экспериментах серий А-1 и А-2 получены на специально обустроенных отрезках борозд, ограниченных с двух сторон шурфами (рис.1).

Перед началом опытов для определения исходной эпюры влажности и тарировки нейтронного влагомера влажность почвы определялась термостатно-весовым способом, а в последующем измерялась нейтронным влагомером ВПГР-1 по методике ВНИИГиМа.

При необходимости, сброс воды в борозде осуществлялся через треугольный водослив. Глубина воды в борозде и на водосливе в ходе эксперимента контролировалась с помощью шпиценмасштаба. Вода в борозду подавалась с помощью сосудов Мариотта, а объем воды, впитавшейся в почву, определялся как разность между объемом подачи, объемом сброса и объемом водяного тела, формирующегося в борозде.

Сравнение втор влажности, показало, что эффект бокового растекания проявляется сильней в опытах по впитыванию с переменным смоченным периметром, контуры промачивания получаются более "поджатыми" и "распластанными". Влажность почвы на нижней границе увлажняемого слоя, при этом,.увеличивается незначительно.

Полученные результаты показали, что полив по бороздам с регулируемой подачей, . при котором предусматривается постепенное увеличение расхода до некоторого необходимого значения, позволяет достичь требуемой влажности корнеобитаемого слоя при некотором увеличении времени полива, но с меньшими потерями поливной воды на просачивание в.подстилающие горизонты. Полив с увеличенным временем стабилизации смоченного периметра, также позволит обеспечить более равномерное увлажнение корнеобитаемого слоя, за счет более полного использования капиллярных свойств почвы.

Полевые опыты, дающие качественную и количественную оценку процессов двумерного впитывания из борозд при наличии бокового растекания и одномерного впитывания, позволяют выявить их принципиальные отличия и сделать вывод о том, что ни одна из известных на сегодняшний день зависимостей, описывающих впитывание влаги в почву (Костяков, Аверьянов, Хортон, и др.), не дает адекватного

/

ЯТЧ Я-2 198"

Рис. 1. Схема опыта с переленньи слоченкыл перилетрол, где: 1-подводящий трубопровод ;2-елкость;3-леталлический поддон; 4-пода-хщий трубопровод;5-протарированный кран;6-борозда; 7-уровенъ воды; 8-скважины Эдя контроля за влажностью почвы ;9-шпщен*асшпа0 ;9-тре-уголъные водосливы; 11-леталлические гцилы;12-отводная борозда.

описания процесса впитывания из борозд, особенно при переменном смоченном периметре.

Полевые експерименты по изучению движения поливных струй проводились на опытном участке в бороздах длиной 100 ы. Борозды нарезались культиватором и имели стандартное поперечное сечение. Расстояние между бороздами равнялось 60 см. В ходе каждого опыта фиксировалось время добегания лба поливной струи до контрольных створов по длине борозды. Скорость течения воды в борозде на выделенных участках (рис.2) определялась о помощью поплавков нейтральной плавучести. Сбросной р&сход в конце борозды определялся объемным способом; Влажность почвы измерялась с помощью ВПГР-1.

Полученные в ходе полевых експериментов кривые, сглаживались полиномом Безье, а также сплайнфункцией.

В четвертой главе приводится описание разработанной математической имитационной модели бороздкового полива, методов решения используемых уравнений, результатов теоретических исследований особенностей влагопереноса при поливе по бороздам.

Движение воды при поливе рассматривается в трехмерном пространстве, состоящем из русла борозды и объема почвы под ней и ме-ждурядиями. В плане размеры втого объема ограничены .длиной бороз-

Оеегость т«ч»»« »оде » ста »М |0Г0»М N 1

(коихан. йтчлмг

N 1, 14, 1508

.Л ..................... • ♦....... •И....... ............г.....X .......

,'•" ..........■ ................. ;..............»

■....... ........■■♦........

Я'"

|_«0» - 100 а

• • 0.СС7 А^м

и>1ш - а сп

Р • 0.44

ИЗ -0.19

- Ш -0.06

ш -ю н

ЫиохООаи) • 0.04

Т (на)

♦ .«« ».г* • .и .1« 1,41 1.» 1 !и *'.*7 ' к 1

Рас.2 Скорость течения воды в контрольных стёорах по длине борозды (в опытах по доОеганик), апворы: — + — ЯЦ20л),—х— И2(40л), — о — таг 60л), — в— Ы4(80л), — о — У5( 100л).

да и шириной ыекдурядия, а вертикальный размер превышает глубину промачивания и глубину грунтовых вод (в том случае если глубина корнеобитаемой зоны соизмерима с высотой капиллярного поднятия).

В таком трехмерном представлении движение воды при поливе по бороздам можно разделить на два взаимосвязанных процесса:

1. Движение воды в борозде - безнапорное неравномерное неустановившееся течение потока переменной массы о отбором части расхода на впитывание, при этом выделяются три стадии :а) добегание лба поливной струи; б) полив со сбросом в конце борозды; в) отекание водяного тела в борозде. Важной особенностью движения воды в борозде является то, что линейные размеры выступов шероховатости соизмеримы с морфометрическими параметрами самого потока.

2. Впитывание и перераспределение влаги в почве - нестационарный влагоперенос в пористой среде при неполном насыщении, с запаздыванием начала впитывания по длине борозды (это связано с добога-нием лба поливной струи в борозде), а такке при переменном смоченном периметре и наличии бокового растекания за счет движения влаги в горизонтальном направлении под действием капиллярных сил.

Рассматривая влагоперенос при поливе по бороздам в такой постановке, мы имеем возможность учитывать все особенности данного

процесса: пространственную и генетическую неоднородность почв, биологические особенности растений, испарение влаги с поверхности поливной струи и почвы, влияние грунтовых вод. Данные о перераспределении влаги в почве в меааюливной период с учетом изменяющейся в течение вегетации потребности растений в воде дают нам возмоазюсть рассчитывать и прогнозировать водный резким конкретного орошаемого поля, корректировать режим орошения, расходы поливных струй, подаваемых в борозды.

Для описания гидравлики поливных струй в начальной стадии наших исследований была использована система уравнешШ Сен - Во-нана (1), дополненная членами, характеризующими наличие отбора части расхода поливной струи на впитывание и испарение по длине борозды (Петров 1964, Киладзе 1967, Эббот 1983, Кюш: 1985):

'Ж + + яАЖ + яМ + аА1 , Д Го + Е1 = О

аг + дг у А ] - &А аг * ВАо ВА1{ А (У и

V

ЭЛ 30 „т.

~эТ = ~ Я ~ Е

где : (^-расход поливной струи в данном оеченшш; Л-площадь итого сече:шя поливной струи; Ь-глубина воды в борозде; { -уклон дна борозды; д-расход впитывания на единице длины борозды; Е- интенсивность испарения с единицы длины водной поверхности поливной струи; 1-время отсчитываемое от начала подачи воды в борозду; ¿-ускорение свободного падения; г-координата вдоль оси борозды; { -уклон трения; С-ковффициент Шези, для потоков, в которых глубина воды соизмеримо с линейными размерами выступов шероховатости (по Гончарову); С = 4 ✓ 2$ Где : 7г - глуб1ша воды;

Д-линейный размер выступов шероховатости.

Уравнения решались численным методом, при втон использовалась неявная конечноразностная схема Прейсмана. Однако, для наиболее ответственной стадии полива "добегания" получить адекватных результатов не удалось. Решете етих уравнешШ для наших целей оказалось чрезвычайно громоздким и недостаточно эффективным. Поэтому было решено использовать интегральные балансовые уравнения, записанные отдельно для каждой стадии полива и каждого отсека поливной струи между 'расчетными створами по длине борозды: а) на стадии добегания лба поливной струи:

р! \ -^йхсП = р. (3 <Н - рГ 1 цйгсИ (2);

•'о •'о •'о 9 о о

где': <2 -расход в голове борозда,; в-длина добегания к моменту вре-

мени п; р-плотность вода;

б) но стадии подачи вода со сбросом в конце борозда:

гТ2гь я а гта гта Ггзги

I = <2ааг ~ Р| " Р| Г ^^ (3);

"'п-'о ■>Т1д т1 •'тго

где: Ок-расход сброса в конце борозда; длина борозда; тз-вромя прекращения подачи вода в голове борозда;

в) на стадии стенания водяного тела после прекращения подачи:

гтэгь . тз -тэ-ь

р! I сИхН = - р\ о м - рГ \qdzdt (4);

•'тз-'вт •)Т2 т2 нт

где : ет - расстояние от начала борозда до хвоста стекающего водяного тела в борозде; тз - время полного опорожнения борозда.

Решение балансовых уравнений осуществлялось методами численного интегрирования. При втом связь между гидравлическими и мор-фометрическими параметрами осуществлялась по формуле Шази. Применение втой формулы для описания неравномерного неустановившегося движения оказалось возможным при использовашги в алгоритме реие-1шя соответствующего балансового уравнения принципа последовательной смены стационарных состояний.

Для математического описания движешм влаги в почве при поливе по бороздам предлагается использовать двумерное уравнение влагопереноса, записанное в виде :

ЭН Э а£ ~ эх

„ _эн_

и ЭХ

Э Гу аН ау лн ау

(5);

Где : С-кооффшдаент удельной влагоемкооти С=З.Т/а#; (7-влаэтгость почвы, 17 = 1У + (п - У/ц)ехр(-Vпо Голованову; У, д - эмпирические коэффициенты; 17 - влажность, соответствующая мвксималыюй молекулярной влагоемкооти; т- пористость; у)=р/Лк> у> - каркасно -•капиллярная составляющая полного напора почвенной влага; Л - максимальная высота капиллярного поднятия; Е - отбор влаги корнями растений, (по Голованову) зависящий от потенциального испарения, влажности почвы и изменяющийся по глубине корнеобитаемой зоны.

Впитывание при поливе по бороздам проиоходит при переменном смоченном периметре, который изменяется в зависимости от водно-физических свойств почвы, расхода в голове борозды, уклона, длины борозды и формы ее поперечного сечения.

Использование конечноразностных методов при решении уравнения влагопереноса позволяет эффективно анализировать процесс движения влаги в почве. Однако при фиксированной разбивке расчетной

области на блоки довольно трудно чисто технически описать переменный смоченный периметр.

В ходе проведенных исследований совместно с А.И.Головановым нами была, получена аналитическая формула для расчета впитывания при переменном смоченном периметре.

Пусть борозда имеет параболическую форму поперечного сечения. Тогда можно предположить, что смоченный периметр в ка5!дом створе по длине борозды будет изменятся, начиная с момента добе-гания поливной струи до етого створа по закону :

X = Х0(1 ~ е"1/то; (6)!

Где: х-смоченный периметр; х„ -смоченный периметр при 0 — 0

о д

(когда расход воды в данном створе стремится к расходу вода в голове борозды); т-текущ,ее время впитывания, отсчитываемое от момента добегания поливной струи до данного створа; то-время' стабилизации расхода воды в данном створе, т.е. когда 0 « 0.90 .

Тогда для расхода впитывания при переменном смоченном периметре на единице длины борозды (м2/сут) можно записать :

ч =Г (?*(т-х) <и (7);

" Л

о

Где: У*ет)-скорость изменения смоченного периметра;

Vх (X) = (Зх/йх = 1/т0х0е"г/то. (в);

Я*(т-Х)-скорость впитывания, которую определим приближенно по зависимости А.Н.Коотякова: №*(т-Г)=а('где: т - продолжительность подачи воды в борозду; а-коеффициент, зависящий от водно -физических свойств почвы, а=0.3~0.7; а-коеффицкент (а=0.5). После преобразований получим:

--_ т _1_е-т/т„Гт/то.,-а

о Г ау'%Уау (9);

^ Л

" он о -а

Ло т0 "о

Пр! а=0.5 полученный интеграл имеет решение в виде неполной

гамма функции, для которой существует аппроксимация (Рыжик,

1968г.).

Окончательно для расхода впитывания получим

\

, „ ^ ет1т1^ гл.___а-] • (Ю);

/т "■1|-а ПГ « * п - Л 1

«г« + «.; ]

Результаты расчета по формуле (10) хорошо коррелируют о данными наших полевых опытов. На рисунке 3 представлены результаты

расчета расхода впитывания по формуле (10) при различном времени стабилизации смоченного периметра.

ЛН1 ИПШ>

амия и* 4<» ю*дм по »они.» 4.6.Ä

»« онжщци ii»fh«im>

«.ii» .7*

♦ »i 1 tw - 0.14 и

« 1* frrt ■ Ol в

1.«» X 2. 1> Tu* ■ 15 »wr

2) » CO «mwt

3) T«tab « 8Ü wmi

t.M 4) Tst* » 1&0

6) Tftab • ЭОО м««гг

14» (.11 : 5 " ! Ii i:J i;'

i > < . , "ü «il i; tt i Ii Ü tlHSl

T <cvr>

♦ •* ».11 «.*j «.ii в »> « ii »7« 4.0Г *.!« ■

■Рис.3 Расход впитывания из борозды при переленнол слоченнол пери-лепре и различная врелени его стабилизации (результат расчета по форлуле (10)).

Эффект бокового растекания при впитывании . из борозд (Костяков, Кутергин, Раевская, и др), обусловлен действием капиллярных сил.

Численное решение двумерного уравнения влагопереноса, которое впервые было использовано для теоретического описания впитывания из борозд в работе Willem Р. Bruteeart 1971g., позволяет получать мгновенные "отпечатки" полей влаяшосги и напоров в расчетной области почвенного профиля при соответствующих начальных и граничных условиях. Анализ изменений во времени втих полей позволяет качественно и количественно оценить динамику нестационарного впитывания влаги в почву, а также перераспределения ее по профилю после прекращения подачи.

Исследования аффекта бокового растекания с использованием разработанной модели показали, что влияние.эффекта бокового растекания сказывается сильней с уменьшением отношения смоченного периметра к ширине междурядия. Он также сильнее проявляется на более тяжелых по мехсоставу почвах.

Сопоставление результатов расчета с данными собственных по-

левых исследований, а танке данными других авторов позволяет сделать вывод об адекватности разработанной нами модели.

В пятой глава приводится описание методики расчета и подбор; оптимального сочетания технологических параметров бороздковогс полива, к которым традиционно относят: время добегания, врем; полива, длину борозда, расход воды в голове борозда, поливнук норму, потери на сброс в конце борозды, потери на просачивание I подстилающие горизонты, коэффициент равномерности увлахтения, коэффициент эффективности полива. В основе методики расчета лекш разработанная математическая модель бороздкового полива. Математическая модель реализована в виде программного комплекса.

Установленные па основе исследований и реализованные в алгоритме расчета связи между набором определенных ранее технологических параметров полива и совокупностью изменений в окружающей среде, вырай:енных в вида параметров модели, а также требованиями растений, позволяют в диалоговом рехсме работы с ПЭВМ моделировать практически любые варианты подачи вода в борозда (включая

Рис.4 Экран вывода результатов расчет по преджхгаелой летодике.

также дискретный полив, полив переменной струей и пр.). На рисунке 4 представлен один из возможных экранов вывода результатов ра-' счета бороздкового полива по разработанной наш методике.

Для проведения расчетов по предлагаемой методике необходима ;шформация следующего характера: почвенные и гидрогеологические условия на орошаемой территории; климатические условия; биологические особешюсти выращиваемых растений; ыорфометричемсио параметры борозд, их длина и расстояние ме:эду бороздами; гидравлически показатели; мелиоративные данные (ре:шм орошения, площадь орошаемой тернтории, и пр.).

В розультато сравнения возмомшх вариантов сочетшшя' техно-логичесш« параметров определяются ошкмалышо.

Для определения оптимального варианта сочетания технологических параметров бороздкового полива в нашой работе использован ■летод комплексной околого-економической оценки мелиоративных мероприятий, который разрабатывается, в последние .годи на кафедре иелиорацин и рекультивации земель МГУП ( Л.И.Голованов, 1990г.).

В соответствии с отим методом задача определешы оп'кя/ально-го сочетания технологических параметров полива долгаа решаться на основе анализа совокупности приведенных затрат, в том число и на проведение мероприятий по охране окружающей ороди и рассматривается в ношей роботе как оптимизационная.

Оптимальным вариантом сочетания технологических параметров полива считается тот, в .котором минимум суммы приведенных затрат межот бцть получен при обеспечении шяппдалышх проектных потерь продуктивности выращиваемой сельскохозяйственной культуры.

В качестве критерия оценки оптимальности технологических параметров принимается интегральный экономический критерий Z , представляющий собой сумму приведенных затрат при выращивании сельскохозяйственной культуры, а требование недопущения снижения продуктивности растений выступает в качестве ограничения :

Ъ mln / * < \.

sum (И);

где: Z - суша приведешшх затрат при орошении; S = 1 - отно-

BUM n А X

оительный максимальный вклад декады, в которую проводится конкретный полив в продуктивность сельскохозяйственной культуры, для расчета конкретного полива проводящегося в- данную фазу вегетации растения, из условия, что в результате полива на всей площади поля достигнута оптимальная влажность почвы, а все остальные факторы, влияющие на урожай, находятся в оптимуме; S( - реальный вклад декады в продуктивность растения после проведения 1-го полива (по

1S

Шабанову), в долях от относительной максимальной продуктивности (при этом также считаем, что все остальные факторы влияющие на урожай находятся в оптимуме), Б( = Ку Где: Ку - коэффициент

снижения урожайности за счет отклонения после поливной влажности от оптимальных значений. Для данной фазы развития растения, по Шабанову :

1 П* 1(1 - П* )

к е Г.Г_1 ор1 Г 1 - У1 пг).

1 I 1 J

где: ff* - текущая влажность корнеобитаемого слоя почвы в долях от продуктивного диапазона; (У* - оптимальная для данной фазы разви-

о р t

. тия растения влажность корнеобитаемого слоя почвы; > - коэффициент саморегулирования растения в данную фазу развития;

В связи с тем, что в современных условиях отсутствует реальная возможность для экономической оценки эффективности мелиоративных мероприятий в целом и частностях, поставленная нами задача перестает быть инженерной. Поэтому, мы заменили экономический критерий оценки оптимальности полива на физический.

Таким критерием, на наш взгляд, может быть суша потерь поливной воды га поверхностный сброо и фильтрацию. Окончательно задача формулируется :

¡?виГтп (11);

где:Р„, -суммарный объем потерь поливной воды;Р„, =G+C; G- фильт-

SUM SUM

рационные потери; С- потери поливной воды на поверхностный сброс;

Задача расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива является задачей' линейного программирования. Качество результатов расчета по предлагаемой методике определяется адекватностью математического описания про- , текающих процессов, достоверностью походной информации, квалификацией человека, работающего с моделью.

В шестой главе приводится описание сценариев и результатов использования разработанной методики расчета для оценки влияния неоднородности водно-физических свойств почвы на расчеты технологических параметров, а также определения обеспеченности водно-физических свойств почвы, которую следует принимать в качестве расчетной.

Разработанная нами математическая модель является детермини-

opt . opt

16

/

рованной и основана на уравнениях, записанных относительно физических величин (влажность почвы, напор почвенной влаги, глубина воды в борозде, расход воды, скорость добегания и пр.), изменение которых характеризует процесс переноса влаги при поливе по бороздам. Однако ети величины зависят также от случайно изменяющихся по площади и глубине водно-физических свойств почвы.

К водно-физическим параметрам почвы, изменчивость которых в различной степени влияет на достоверность определения мелиоративных показателей бороздкового полива, можно отнести: коэффициент фильтрации; характерные влагоемкости (максимальная гигроскопичность, максимальная молекулярная влагоемкость, пористооть); высота капиллярного поднятия; зависимость между влажностью почвы и каркасно-капиллярным потенциалом.

Получение собственных данных об изменчивости водно - физических свойств почвы выходит за рамки диссертационной рабсы, поэтому нами были использованы результаты статистической оценки изменчивости почвенных и гидрогеологических параметров, проведеной Головановым в 1975г.

Эти исследования показали, что распределение коэффициента фильтрации для минеральных грунтов асоиметрично и может быть описано логарифмически нормальным законом. При этом степень изменчивости, характеризуемая коэффициентом вариации Cv, для лессовидных суглинков лежит в пределах 0.3 - 0.9. Распределение плотности почвы и пористости для минеральных почв и грунтов в большинстве случаев подчиняется нормальному закону. Коеффициент вариации пористости для типичных и светлых сероземов, представленных лессовидными суглинками, составляет 0.06 - 0.12 . Этот результат распространяется и на другие емкостные параметры - максимальную молекулярную влагоемкость и максимальную гигроскопичность).

Для оценки влияния изменчивости водно-физических свойств почвы на расчет технологических параметров моделировался полив хлопчатника со сбросом по бороздам длиной 130 м, при уклоне поверхности земли 0.04, расходом в голове 0.10 л/с, с шириной междурядий 60 и 90 см. Поливная норма нетто при 'этом составляет 900 м.куб/га. Борозда имеет постоянное поперечное сечение параболической формы и постоянную во времени и по длине шероховатость (в расчетах принимается, что средний линейный размер выступов шероховатости составляет 0.5 см). Расчет проводился для двух харак-

терных почвенных профилей типичного и светлого сероземов. Грунтовые воды залегают глубоко. Внутрисуточное распределение интенсивности испарения о поверхности почвы и транспирации задано.

В пределах расчетной зоны по длине борозды было выделено ' 26 квазиоднородных участков длиной 5 м, считая, что такая выборка из генеральной совокупности является вполне представительной.-

Изменение технологических параметров полива на выходе (т.е. в результате моделирования) обусловлено тем, что на выделенных участках борозды, в соответствии с законом распределения, математическим ожиданием и коеффициентом вариации, с помощью генератора случайных величин присваиваются случайные значения водно - физических параметров почвы. Принимается, что водно-физические параметры взаимозависимы и поэтому на квазиоднородных участках они изменяются одновременно.

Для получения случайных значений водао-физических параметров была использована стандартная функция TURBOPASKAL 5.5 - Random.

Расчеты проводились в следующем порядке. Для типичных почвенных профилей типичных и светлых сероземов о учетом закона рас-

CW

«.U Ья— 1 И» IWi^if ОСТИ *ОДИО« l»f ОСМХ ОМЙОТ» П»*«1 *

• .«я

• -•Г и* %* ИЩ||| «гммнык п ГО.1Ч

Щ .77

........-а

• .11

• «ь

».IV

• п ■ - 1 прям»«» вунчн домгания

в - ■ ютмцн» »>i»WM тли*

• is.

• .1»

» в <* • «с 0 .7П • Ik 0 •> »'.!» lilt t't*

Рис.5 Влияние изменчивости 8одно - физических свойств почвы на вариации результатов расчета технологических параметров борозд-кового полива (время добегания и время полива). СиРаг-коэфс^циент вариации расчитываемых параметров. Си/-козффициент вариации емкостных показателей водно-физических свойств почвы (типичный серозем).

пределешя, математического оамдания и коэффициента вариации вод- . но-флзичееким свойствам почвы на участках по длине борозды авто-

матичееки присваиваются случайные значения. При заданных статистических показателях изменчивости водно - физических свойств почвы и при других рекомендуемых технологических параметрах борозд-кового полива многократно расчитывалось время добегания поливной струи до конца борозда и определялось время полива при сбросе ча-

Тавлица 1.

Значения водно-физических паралетров различной обеспеченности генетически однородного почвенного профиля (серозел типичный).

р т УГ в "и */ \

% в % от объела лУсугл л

95 36.06 14.43 7.21 0.85 1.54

90 37.99 15.20 7.60 0.67 1.75

75 41.26 16.51 В.25 0.46 2.11

50 44.90 17.96 8.98 0.30 2.50

25 43.54 19.41 9.71 0.20 2.89

10 51.81 20.72 10.36 0.13 3.25

5 53.74 21.49 10.75 0.11 3.46

0.12 0.70 0.234

и 44.90 17.96 8.98 ' 0.30 2.50

(Г 5.333 __ 0.21 0.585

Где: Р-овеспеченностъ; <п-пор1стость; №^-жшсижиъная лолекуляртя влагое.июстъ;\'! -жиссижиъная гигроскопичность;К .-коэффициент фильтрации; Н -лаксилальная высота капиллярного поднятия.

сти поливной вода в конце борозды; В данных расчетах полив заканчивался по достижении поливной нормы на последнем пятиметровом отрезке борозда.

Для каждого варианта статиотических показателей проводилась серия из 100 определений технологических параметров полива (в данном случае определялись- время добегания и время полива), разброс которых на выходе обусловлен случайной изменчивостью воДно -физических свойств почвы по длине борозды.

Таким образом моделировалось 100 поливных борозд с различным случайным размещением водно-физических свойств почвы на 26 участках по длине борозды, т.е. фактически имитировался полив по бо-

роздам на поле со случайным изменением водно-физических свойств почвы на всей его площади.

Было выявлено (рис.5), что при указанных выше значениях коэффициента вариации емкостных показателей водно-физических свойств почвы и коэффициента фильтрации, коэффициент вариации времени добегашя изменяется в диапазоне 0.019 - 0.05, а коэффициент вариации времени полива при тех же условиях изменяется в пределах 0.3 - 0.7.

Для получения достоверных результатов расчета бороздковогс полива в условиях изменчивости водно-физических свойств почвы важно определить обеспеченность водно-физических параметров, кото. рую необходимо принимать в качестве расчетной для способов расчета, не учитывающих эту изменчивость.

Задача определения расчетной обеспеченности водно - физических параметров увязывается здесь с подбором оптимального сочетания технологических параметров полива и также является задачей линейного программирования.

Значения водно-физических параметров различной обеспеченности, для типичного серозема приводятся в таблице 1.

Было проведено две серии расчетов. Расчеты проводились в диалоговом реж*,ме. Для сокращения количества вычислений при подборе оптимального сочетания технологических параметров был использован метод наискорейшего спуска (Икэ, 19б7ё-).

В первой серии расчетов оптимальные варианты сочетания технологических параметров определялись, полагая что водно - физические параметры почвы остаются неизменными по всей длине борозды.

Моделируемый полив проводится в фазу бутонизации и цветения (период, когда хлопчатник наиболее требователен к влажности почвы) , предполивная влажность во всех вариантах расчета составляла 0.7ППВ, влажность завядания принималась равной 0.3 в долях от пористости, оптимальная влажность принималась равной 0.85ППВ, коэффициент саморегулирования растения в данную фазу развития принимался у=5.5 (по Шабанову), продолжительность меиполивного периода Т =10 сут, среднесуточное суммарное испарение Е = 0.01 м/сут, коэффициент кинематической вязкости воды при Ъ=20 С°, Д = 0.805Е-6, параметр параболы для поперечного сечения борозды р=2, характерный линейный размер выступов шероховатости А = 0.005-0.015 м, ' ширина мевдурядая 0.6 и 0.9 м., уклон дна борозда 1=0.01.

Результаты втой серии расчетов для типичного серозема представлены в таблице 2.

Затем при подобранных для характерных значений обеспеченности водно-физических свойств почвы оптимальных технологических параметрах полива была проведена вторая серия расчетов.

В этой серии расчетов проводилась "экспертиза" вариантов сочетания технологических параметров, подобранных ранее. При этом, критерий оценки и ограничение оставались теш же, но при соблюдении условия, что водно-физические свойства расчетного слоя почвы

Таблица 2.

Результат, оптимизации технологических параметров бороздкового полива Оля типичного серозема при характерных значениях обеспеченности воОно-физических свойств почвы.

0 б е с п. У к л 0 Длина боро зЭы, л. Расход, л/с Время,ч. и Ору тто, лэ/й Потери, % коэф эффе кт. поли ва. коэф равн увла хнен ия. коэф ских ения УР-сти.

бо бв га. все го. на филъ тр. на с б рос.

% Полив в фазе бутонизации и цветения.

1 а э 4 в 6 7 в 9 | 10 | 11 | 12

Серо а е л типичный.

Ш и р и н а лёхбуряОий 60 сл.

в 0.01 100 0 . 7Б 3 . 0 Э . 0 1360 1 1 0. 99 0 . 8Б 0 . 97

10 0 . 01 100 0 . 60 3.0 4 . 0 1440 - 1 0 . 99 0 . 85 0 . 96

25 0 .01 100 0 .БО 3. 0 5 . 0 1 БОО 1 1 0.99 0.81 0 . 9В

Ширина лехбурябий 90 сл.

во 0 . 01 1 00 0 .33 7.0 13 . о 1584 1 1 0 . 99 0 . 82 0 . 9В

76 0 . 01 100 0 . 25 в.о 14.0 1 400 - 1 0 . 9в 0 . 88 1 . 0

90 0 . 01 100 0.17 4 -0 20 . 0 1360 1 1 0. 97 0 . 85 1 . 0

*9 Б 0.01 100 0.1В 4 . 0 20 . 0 1 200 1 Э 0.97 0.84 0 .98

меняются случайным образом по длине борозды.

В качестве расчетной обеспеченности водно-физических свойств принимается та, при которой можно получить минимум потерь поливной води при минимальных потерях, продуктивности растений для данной фазы вегетации. '

Анализ результатов расчета показал (рис.6), что наилучшш образом этого удается добиться при технологических параметрах полива оптимизированных для 25% обеспеченности значений водно - физических свойств почвы.

•В заключении сформулированы основные выводы и рекомендации. 1.Анализ результатов полевых опытов и литературных данных позволяет выделить следующие основные особенности движения воды при

Упммяч* р«ечтея ооспг»трет» мя» юпмг» ком г&ш

»с

..."............. ур

' .....—

У

ч. Ч

Р 00

.0* • <С «.и ■ »«

Рис.6 Выбор расчетной обеспеченности водно-физических параметров

почбы при расчетах Оороздкового полива.— +■---сулиарные потери

воды в долях от подачи;— т-- коэффициент равнолерности увлажнения; .....- а — - коэффициент снижения урожайности за счет отклонения влажности корнеобитаелого слоя от оптишъной.

поливе по бороздам: впитывание происходит при наличии эффекта бокового растекания, при переменном смоченном периметре и является неравномерным неустановившимся; движение воды в борозде является неравномерным неустановившимся течением переменной массы с отбором части расхода на впитывание, при этом морфометрические параметры поливной струи соизмеримы с размерами шероховатости ложа борозды.

2. Для математического описания эффекта бокового растекания в данной работе используется двумерное уравнение влагопереноса. Впитывание из борозд с переменным смоченным периметром описывается полученной совместно с А.И.Головановым аналитической зависимостью. Для описания движения воды в борозде в начальной стадии на-

ших исследований были использованы уравнения Сен-Венана. Однако, при решении отих уравнений для наиболее ответственной стадии поливе "добегания" получить адекватных результатов не удалось. Ре-

о

шение втих уравнений для наших целей оказалось чрезвычайно громоздким и недостаточно эффективным. Поэтому было решено использовать интегральные.балансовые уравнения, записанные отдельно для каждой стадии полива. Решение втих уравнений осуществлялось численными методами. Связь между гидравлическими и морфометрическими параметрами определялась по формуле Шези. Применение этой формулы для описания неравномерного неустановившегося движения оказалось возможным при использовании в алгоритме решения соответствующего балансового уравнения принципа последовательной смены стационарных состояний.

3.Разработана и апробирована математическая, модель бороздкового полива. Центральным ядром модели является численное решение дифференциальных и интегральных уравнений. Разработанная модель является инструментом исследования, она может быть использована для расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива, а также для анализа и прогноза водного режима орошаемых земель, решения различных еколого-мелиоративных задач в том числе и учебного характера.

4-.Разработана методика расчета и подбора оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива. Методика позволяет рассчитывать и определять оптимальные расходы подачи воды в борозду* длины борозд, время подачи воды в борозду, потери поливной воды на сброс в конце борозды, потери поливной воды на просачивание в подстилающие слои почвы. Анализируя полученную информацию о распределении влаги по почвенным профилям в створах по длине борозды, можно давать оценку качеству полива, прогнозировать изменение влагозапасов в расчетном слое почвы. 5.Определение оптимального сочетания технологических параметров бороздкового полива является задачей линейного программирования и требует большого количества расчетов. Отсутствие реальной возможности дать в современных условиях правильную экономическую оценку эффективности мелиоративных мероприятий приводит к необходимости замены экономического критерия оценки оптимальности полива на физический. В качестве такого критерия, на наш взгляд, может быть принята суша потерь поливной воды на поверхностный сброс и филь-

трацию, при этом должны также вводиться ограничения на потери продуктивности сельскохозяйственных растений.

6. Исследования показали, что технология, обеспечивающая подачу небольшого "инициирующего" расхода в начале, а затем, его некоторое увеличение позволяет поливной струе сформировать русло при минимальных размыве борозды и потерях воды на сброс в конце, а при достаточно высокой и неубывающей интенсивности' впитывания вследствии постепенного увеличения*смоченного периметра обеспечить лучшее использование капиллярных сил при впитывании, что приведет к уменьшению потерь поливной воды на просачивание- в нижние слои почвы, более равномерному увлажнению по длине борозды и

_ Солее эффективному использованию поливной воды.

7. При исследовании влияния изменчивости водно-физических свойств почвы было выявлено, что при изменении коэффициента вариации емкостных показателей водно-физических свойств почвы в диапазоне

0.06.- 0.12, а коэффициента фильтрации - 0.3 - 0.9, коэффициент вариации времени добегания изменяется в диапазоне 0.01.9 - 0.05, а коэффициент вариации времени полива при тех же условиях изменяется в пределах 0.3 - 0.7.

8. Результат исследований показали, что минимум потерь поливной воды при минимальном снижении продуктивности растений удается получить при технологических параметрах полива, оптимизированных для 2Ъ% обеспеченности значений водно-физических параметров почвы.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Математическая модель влагопереноса и расчет технологических элементов при поливе по бороздам. Тезисы доклада на Всесоюзной конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия". Москва. 1988г.

2.Расчет технологических элементов при поливе сельскохозяйственных культур по бороздам. Труды МГМИ /Комплексное мелиоративное регулирование/. Москва.1989г. В соавторстве с А.И.Головановым.

3. Особенности влагопереноса при поливе по бороздам. Тезисы доклада на Всесоюзной крнференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве". Новочеркасск. 1989г.