МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


 
Комплексное обустройство территории и
водосборов


УДК 631.674

ТЕХНОЛОГИЯ водосберегающего орошения
кормовых культур

А.Д. Ахмедов, А.А. Королев
ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Волгоград, Россия

Relevance of subsoil irrigation usage for growing feed crops on alluvial meadow soils is shown. Distribution of pjezometric pressure along the water emitters line during the irrigating period is analyzed. Formation of moisture patterns in the soil regarding the quantities of irrigating water and emitters design is considered. In order to define the characteristics of moisture patterns in the soil depending on the quantities of irrigating water, the ratios of vertical water spreading Kv and forms Kf are calculated. Expediency of usage low irrigating rates is substantiated. As a result of research, mathematical relations were derived in order to define water outlays in the emitters made of pottery tubes with diameter 50 mm under water pressure at the line 0.1-0.7 m.

Для повышения эффективности оросительных мелиораций выбор экологически безопасной технологии и технологических средств полива с учетом экономии поливной воды в последние годы приобрел первостепенное значение. Ведущие страны мира отдают предпочтение таким способам полива, которые позволяют регулировать водоподачу в соответствии с водопотреблением сельскохозяйственных культур. В практике этим требованиям отвечают все способы локального орошения, в том числе и внутрипочвенное. Использование данного способа орошения позволяет создать оптимальный водно- воздушный режим почвы, сохранить ее структуру и улучшить аэрацию, обеспечить наиболее благоприятное для растений капиллярное увлажнение почвы. В результате этого урожайность сельскохозяйственных культур возрастает на 20-30 % в сравнении с дождеванием.
Однако возможности внутрипочвенного орошения из-за недостаточной изученности теоретических основ и технологии полива реализованы не полностью. В связи с этим возникла необходимость проведения ряда исследовании, направленных на разработку технологии внутрипочвенного орошения люцерны на зеленый корм в Волго-Ахтубинекой пойме.
В силу географических условий климат поймы резко континентальный и засушливый. Среднегодовая температура воздуха составляет около 8°С, величина осадков 300-350 мм. В теплый период (с апреля по октябрь) выпадает 2/3 годовых осадков. Испаряемость в среднем оценивается в 900-1000 мм.
В геоморфологическом отношении участок находится в подзоне аллювиальных луговых сложных легкосуглинистых почв. Содержание гумуса невысокое. В слое 0-0,5 м в среднем оно составляет 0,86-0,88 % сухой почвы. Для метрового слоя почвы плотность на участке с дождеванием составила 1,44 т/м3, а при ВПО 1,50 т/м3. Наименьшая влагоемкость соответственно 19,31 и 19,27 % от массы сухой почвы. Почвы не засолены. Созданию благоприятного солевого режима способствовали ежегодные поднятия паводковых вод, выполняющих функции естественных промывок, относительно близкое залегание песков и супесей. Для большей части пойменных почв количество легкорастворимых солей в зоне аэрации не превышало 0,1-0,2 %, хлор вымыт за пределы двухметровой толщи. На делянке с исследуемым способов полива содержание натрия несколько больше, чем при дождевании. При этом среднее значение этого элемента в слое 0-0,5 м не превышало 1 %.
С учетом механического состава и фильтрационных свойств почв для обеспечения оптимального режима увлажнения предусмотрена минимальная глубина закладки труб внутрипочвенного орошения 0,5 м и мероприятия по предотвращению просачивания поливной воды в нижние слои почвенного профиля. С этой целью под увлажнителем устроен противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки шириной 0,25-0,30 м. Экран над увлажнителем устроен для предотвращения его заиления и увеличения расстояния между увлажнителями за счет увеличения контура увлажнения.
На опытно-производственном участке внутрипочвенного орошения в условиях, приближенных к производственным, были изучены две конструкции увлажнителей, выполненные из гончарных труб с внутренним диаметром 50 мм и длиной 333 мм. В первой конструкции трубы соединены муфтами из полиэтиленовой пленки шириной 0,1 м, расстояние между увлажнителями 2,0 м. Во второй конструкции трубы уложены вплотную друг к другу, стыки их не изолированы, расстояние между увлажнителями 1,5-2,0 м.
Все увлажнители выполнены длиной 125 м. Уклон увлажнителей 0,002.
Динамику влажности в полевых условиях изучали на специальных водно-балансовых площадках, расположенных по диагонали делянки на расстоянии 20 м от головы, в середине и 20 м от конца увлажнителя. Пробы на влажность в поперечном сечении между увлажнителями брали над увлажнителем через каждые 0,2 м и в середине между увлажнителями по вариантам. Пробы на влажность по вертикали отбирали через 0,1 м на глубину до 1 м в четырехкратной повторности до, и после полива, через сутки, двое.
Эффективность систем внутрипочвенного орошения находятся в прямой зависимости от правильного установления параметров техники полива, расстояний между внутрипочвенными увлажнителями и глубины их укладки, оптимизации поливных норм, скорости впитывания воды, длины внутрипочвенных увлажнителей.
Анализ исследований различных авторов, а также собственных исследований позволил сделать вывод, что во всех случаях расстояние между увлажнителями для культур сплошного сева следует назначать из условий смыкания контуров увлажнения и увязывать с капиллярными свойствами почвы.
При внутрипочвенном орошении количество испаряющейся воды минимально, но фильтрационные потери, особенно в однородных почвах, могут быть значительные. Их величина, помимо конструкции увлажнителей, находится в прямой зависимости от величины пьезометрического напора над осью увлажнителя и режима влажности почв.
При изучении динамики пьезометрических напоров по длине увлажнителей было установлено семь пьезометров в следующем порядке. Первый в 2,5 м от головы увлажнителя, последний – на таком же расстоянии от концевой части увлажнителя. Основные пьезометры располагались через каждые 20 м от головы увлажнителя. Величина пьезометрических напоров отмерялась от оси увлажнителя, включая пьезометр в напорном резервуаре, отсчет по пьезометрам брался через каждые 10 мин, а затем – через 30 мин, до установления постоянного расхода.
Распределение пьезометрического напора по длине увлажнителя в течение полива свидетельствует о его изменчивости. В первые 10 мин проведения полива увлажнитель работает не всей длиной, на что указывает отсутствие показаний в концевом пьезометре. По истечении 20 мин работы увлажнителя зафиксирована вода в последнем пьезометре с напором 0,009 м, то есть в этом створе увлажнитель работал неполным сечением. Средний уклон линии пьезометрических напоров увлажнителя уменьшился и составил 0,0036. После 40 мин работы увлажнителя отмечено восстановление пьезометрического напора в конце увлажнителя. Наблюдался обратный уклон величиной 0,0005 между 6-7 пьезометрами.
В дальнейшем наблюдалась некоторая стабилизация пьезометрических напоров по окончании 120 мин работы увлажнителя. Величина обратного уклона пьезометрической линии между 5-7 пьезометром увеличивалось до 0,0049. После 240-300 мин от начала полива наступила полная стабилизация пьезометрических напоров: линия пьезометрических напоров приняла устойчивое положение с несущественными колебаниями. Графически эта кривая имела прогиб в 5 створе, средний уклон ее (с 1 по 6 пьезометры) составил 0,0031.
Анализируя динамику средней влажности почвы, необходимо отметить неравномерность ее распределения по длине увлажнителя. При почти одинаковой предполивной влажности почвы в слое 0-0,8 м по длине увлажнителя влажность почвы по окончании полива уменьшается до 5 створа и затем увеличивается до концевой части. На расстоянии 0,25 м от оси увлажнителя в 5-м створе эта величина по сравнению с 1-м створом, уменьшается на 8,7 %, а в конце увлажнителя всего на 1,9 %. В течение времени наблюдается перераспределение влаги в периферийные от увлажнителя горизонты. Характер распределения остается неизмененным: наибольшие значения влажности почвы в голове и концевой части увлажнителя, – наименьшие в средней части. Через 1, 3, 5, 7 суток после полива влажность продолжает уменьшаться, достигая в последнем наблюдении почти предполивных значений. Как известно, в этом случае влага обладает наибольшей подвижностью. Систематические измерения показали, что основное количество поливной воды аккумулируется в слое почвы 0-0,8 м, причем 22,5 % поступает в пахотный горизонт, 72 % в слое 0,3-0,6 м, лишь 5,5 % инфильтруется.
Дальнейшее наблюдение за влажностью почвы после полива показывает, что характер распределения влаги в почвенных горизонтах по длине увлажнителя в течение времени по окончании полива неоднозначен. Сопоставляя графические зависимости динамики средней влажности почвы по длине увлажнителя, следует отметить совпадения формы кривых для одноименных створов скважин.
Различие в абсолютных отметках влажности, в зависимости от расположения створов скважин по длине увлажнителя, по характеру совпадает с динамикой пьезометрического напора.
Качество увлажнения почвы во многом зависит от равномерности распределения воды по всей длине трубчатых увлажнителей. Несоблюдение этого условия при проектировании систем внутрипочвенного орошения вызывает колебания пьезометрических напоров по длине увлажнителей. Следовательно, неравномерность увлажнения почвы по длине увлажнителя обусловливает нестабильность урожаев сельскохозяйственных культур.
Таким образом, результаты исследований динамики влажности почвы по длине увлажнителя позволяют сделать вывод о том, что пьезометрические напоры в увлажнителях и нормы подачи воды оказывают непосредственное влияние на распределение влаги в почве как в продольном, так и поперечном направлениях.
Изучение вопросов формирования контура увлажнения в зависимости от конструкции увлажнителя, способа подачи поливной воды в почву, поливной нормы и напора проводилось на лабораторно-поливной установке. Она действовала по схеме: водонапорный бак – регулятор напора – исследуемый увлажнитель. Камеральная обработка материалов полевых исследований производилась с помощью обычных приемов математической статистики. Величина исследуемых напоров не превышала 0,2-0,7 м.
Рассмотрим результаты опытов. При I типе конструкции форма смоченного контура увлажнения приближается к прямоугольной или круглой, несколько расширяющейся по горизонтали в нижней части контура, лежащей под увлажнителем, что обусловлено поступлением влаги сначала вверх и в стороны, далее вниз.
Над увлажнителем по всей его ширине образуется водоносный слой и величина его несколько меньше применяемого напора. Водоносный слой подпитывает капиллярную кайму, расположенную на его поверхности. Распределение влаги в капиллярной кайме проходит снизу в сторону уменьшения. При уменьшении напора над осью увлажнителя от 0,6-0,5 и до 0,3-0,1 м происходит смещение центра увлажнения, а также уменьшения величины водоносного слоя относительно оси увлажнителя и, следовательно, перемещение его в более глубокие слои активного слоя почвы (0,3-1,2 м). Распределение влаги в верхних горизонтах (0-0,5 м) более равномерно происходит по периметру водоносного слоя.
При II типе конструкции форма смоченного контура приближается к эллипсу, что обусловлено поступлением влаги, во-первых, в стороны, а затем вверх и вниз. В остальном, процесс образования зоны насыщения и капиллярной каймы происходит как у конструкции I типа. Смещение зоны насыщения зависит от напора, при уменьшении его до 0,3-0,1 м происходит смещение центра контура увлажнения ниже от оси увлажнителя. В таблице 1 приведены размеры и площади контуров увлажнения в зависимости от конструктивных особенностей увлажнителей и величины напора. Из таблицы видно, что площадь смоченного контура во 2-м типе конструкции увлажнителя в среднем на 0,04 - 0,08 м2  больше, чем в I.

Таблица 1

Размеры контуров увлажнения (а – после окончания полива, б – через 18 ч)

Время
наблюдения

H, м

Размер контуров увлажнения

Dв, м

Dг, м

S, м2

Тип увлажнителя I

а

0,60

0,47

1,31

1,59

б

0,60

0,50

1,44

2,01

а

0,50

0,41

1,00

1,25

б

0,50

0,50

1,39

2,38

а

0,30

0,34

0,94

1,06

б

0,30

0,41

1,11

2,15

а

020

0,38

0,91

0,79

б

0,20

0,45

1,03

1,27

Тип увлажнителя II

а

0,60

0,47

1,37

1,63

б

0,60

0,50

0,48

2,09

а

0,50

0,42

1,05

1,29

б

0,50

0,50

1,33

2,41

а

0,30

0,35

0,97

1,12

б

0,30

0,43

1,16

2,19

а

0,20

0,39

0,94

0,84

б

0,20

045

1,08

1,33

При увеличении напора от 0,7 м и более область увлажнения увеличивается незначительно, порядком 0,05-0,07 м в горизонтальном направлении, но здесь возникает опасность суффозии грунта и выклинивание воды на поверхность почвы. Следовательно, целесообразно применение противофильтрационного экрана.
Экраны позволяют увеличить расстояние между увлажнителями и довести его до 1,4-1,5 м, а, кроме того, применение экрана позволяет увеличить площадь смоченного контура в 1,3-1,7 раза. При этом наиболее оптимальным является напор 0,5-0,6 м.
Для изучения влияния поливной нормы на формирование контуров увлажнения рассматривались поливные нормы 600 и 350 м3/га.
Для определения характеристики контуров увлажнения в зависимости от поливных норм подсчитывались коэффициенты вертикального распространения Кв и формы Кф. Коэффициент Кв оценивает оптимальность контура увлажнения, то есть это отношение величин распространения контура увлажнения вверх (а1) и вниз (а2) от оси увлажнителя, а Кф – отношение высоты контура увлажнения к ширине Dг. Следовательно, при увеличении Кв уменьшаются потери оросительной воды на фильтрацию, а уменьшение величины Кф позволяет увеличить расстояния между увлажнителями. Рассчитанные нами значения коэффициентов Кв и Кф представлены в табл. 2.
Рассматривая формирование контуров увлажнения в зависимости от поливных норм необходимо отметить, что при возрастании поливной нормы с 350 до 600 м3/га позволяет увеличить расстояние между увлажнителями на 0,10-0,15 м за счет возрастания абсциссы контура увлажнения. При этом увеличивается площадь контура увлажнения.
Однако при увеличении поливной нормы возрастают потери воды на глубинную фильтрацию, уменьшаются величины коэффициента вертикального распределения, что является нежелательным явлением при внутрипочвенном орошении.

Таблица 2


Влияние величины поливной нормы на распространение контура увлажнения

Время после полива,
сут.

Параметры контуров увлажнения

а1, м

а2, м

, м

Dг, м

Кв

Кф

Поливная норма 600 м3/га

0

0,29

0,48

0,77

1,16

0,60

0,66

1

0,28

0,64

0,92

1,27

0,44

0,72

3

0,19

0,67

0,86

1,06

0,28

0,81

5

0,09

0,36

0,45

0,60

0,25

0,75

7

0,03

0,13

0,16

0,29

0,23

0,55

Поливная норма 350 м3/га

0

0,25

0,40

0,65

1,05

0,62

0,61

1

0,24

0,53

0,77

1,10

0,45

0,70

3

0,27

0,58

0,75

0,94

0,25

0,79

5

0,08

0,32

0,40

0,56

0,25

0,71

7

0,03

0,11

0,14

0,26

0,27

0,54

Изучение расходов воды в зависимости от напора внутрипочвенного увлажнителя проводилось на опытно-полевой установке. Исследовались увлажнители, выполненные из гончарных труб, при напорах воды в голове от 0,10 до 0,70 м. В течение опыта поддерживался постоянный напор воды в голове увлажнителя. Контроль осуществлялся по пьезометрам. Величина расхода воды фиксировалась через каждые 10 мин от начала наблюдения. Опыты проводились при установлении предполивной влажности почвы 75-80 % НВ.
С увеличением напоров расход воды в голове последних увеличивался. Так, при напоре 0,1 м расход воды после 10 мин работы составил 0,30 л/с, при напоре 0,30-0,51 м – 0,645 и 0,7 м – 0,790 л/с, то есть при увеличении напора на 0,6 м расход увеличился в 2,63 раза.
При всех изучаемых напорах в начальный момент времени расход воды, поступившей в почву, был больше, чем в последующие промежутки времени. В течение первых 60 мин работы увлажнителей при напоре в голове 0,7 м средний удельный расход уменьшился с 3,4 мл/с до 1,2 мл/с на 1 пог. м, а при напоре 0,3 м – с 2,0 мл/с до 0,6 мл/с. В последующие 60 мин уменьшение расхода воды наблюдалось менее интенсивно: при напора 0,7 м – с 1,2 мл/с до 0,8 мл/с на 1 пог. м и при 0,3 м – с 0,6 мл/с до 0,3 мл/с. В конце следующего промежутка времени при всех напорах отмечалась некоторая стабилизация средних удельных расходов воды в увлажнителях.
Величина установившихся расходов воды в голове увлажнителя составила: для напора 0,7 м – 0,235 л/с, для 0, 5 м – 0,160, для 0,3 м – 0,125, для 0,1 м – 0,040 л/с.
Экспериментальные зависимости q = f(t) аппроксимировались с помощью уравнения
q = a(b + t)c + d,
где  q – расход воды в голове увлажнителя, л/с;  t – время от начала полива, мин;  с – показатель степени, равный -1;   а, b, d – коэффициенты, численные значения которых устанавливаются экспериментальным путем.
Для наших условий кривые q = f(t) описываются следующими уравнениями:
q = 6,55 Т–1  + 0,22 при напоре 0,7 м;    q = 4,65 Т–1 + 0,11 при напоре 0,3 м;
q= 5,89 Т–1  + 0,15 при напоре 0,5 м;    q = 3,21 Т–1 + 0,04 при напоре 0,1 м.
Анализируя полученные данные, следует отметить, что во всех случаях точки в выбранном масштабе ложатся примерно на прямой линии вида у = ах + в. Эмпирические формулы подбираются методом выровненных точек. Полученные зависимости с достаточной точностью подтверждаются проверкой ряда точек на прямолинейность по каждому варианту. Чем больше пропускная способность трубы – увлажнителя при одинаковых уклонах, тем прямая ложится выше.
Обобщая полученное уравнение и принимая во внимание, что зависимость удельного расхода увлажнителя от времени носит гиперболический характер, выведем общее уравнение, связывающее между собой удельный расход, время от начала полива и напор в голове увлажнителя
Q = 0,0031H + 4,508T-0,967.
Среднеквадратические отклонения расчетного расхода и фактического при рассматриваемых напорах в течение всего полива колеблется в пределах 0,36-4,18 %. Область применения полученных зависимостей ограничивается по напору (H = 0,1-0,7 м) и по времени (T= 10-340 мин) до появления установившихся расходов.
Пользуясь расчетными зависимостями, можно подсчитать подачу оросительной воды за любой промежуток времени и при различных напорах, делать интерполяцию, экстраполяцию и определять расчетный расход воды в увлажнителе.
В течение исследований на опытно-производственном участке возделывалась люцерна на зеленый корм сорта «Синская». Высевали в чистом виде, способ посева рядовой, технология возделывания люцерны на зеленый корм была общепринятой для данного региона. Режим орошения изучался на люцерне второго и третьего года жизни при разных способах полива.
При всех способах наибольший урожай зеленой массы люцерны обеспечивался во второй год жизни, а на третий год продуктивность ее резко снизилась, за счет изреживания растений. В пределах каждого года минимально высокий урожай люцерны формировался в первом укосе и составлял 28-35 % от суммы за год. Этому способствовали благоприятные температурные условия и наиболее продолжительный период его нарастания. Урожаи в последующих укосах понижаются, что объясняется тем, что при многократном скашивании люцерны запас пластических веществ в корневой шейке к концу вегетации истощается. Лишь на втором и третьем году жизни продуктивность четвертого укоса была несколько выше, чем третьего. Это объясняется более удлиненным вегетационным периодом четвертого укоса.
При дождевании во втором году за 4 укоса была получена максимальная урожайность 87,0 т/га. В среднем, за два года урожайность при дождевании составила 79,4 т/га.
Применение ВПО по сравнению с дождеванием (ДДА-100МА) позволяет увеличить урожайность люцерны. Наибольший урожай (95,0 т/га) был получен на участке с наиболее высокой предполивной влажностью почвы (80 % НВ), это на 8,0 т/га больше, чем при дождевании.
Снижение предполивной влажности почвы до уровня 70 % НВ в среднем на 12-19 % снижает урожайность люцерны. Дальнейшее уменьшение легкодоступной влаги еще более уменьшает урожайность люцерны.
Сравнивая урожайность при внутрипочвенном орошении на крайних вариантах            60 % НВ и 80 % НВ, наблюдаем ее снижение на 27-32 %.
При ВПО коэффициент водопотребления в среднем за годы исследований составил 63,9 м3/га, что на 28,5 % ниже, чем при дождевании. Оросительные нормы, в зависимости от условий года изменялись от 2640 до 3720 м3/га при применении поливных норм 280- 560 м3/га.
Отмечено снижение урожайности при увеличении расстояния между увлажнителями. Так, при увеличении расстояния между увлажнителями с 1,5 до 2,0 м, в среднем, урожайность снижается на 6,2-12,1 %.
На формирование урожая люцерны оказывает влияние конструкция увлажнителя. Так, при расстоянии 2,0 м между увлажнителями, урожайность люцерны на зеленую массу больше, на варианте, где увлажнители из гончарных труб с противофильтрационным экраном снизу и сверху, чем с противофильтрационным экраном на свободно лежащих муфтах, в среднем на 5,1 т/га.
Анализируя расчеты, следует отметить, что внутрипочвенный полив – высокоэффективный способ орошения, применение которого дает значительное увеличение урожайности люцерны на зеленую массу. Среди рассматриваемых вариантов внутрипочвенного орошения оптимальным является вариант, у которого увлажнители выполнены из гончарных труб диаметром 50 мм с противофильтрационным экраном, снизу и сверху и расстоянием 1,5 м между увлажнителями.
Проводимые расчеты по оценке биоэнергетической эффективности возделывания люцерны в Волго-Ахтубинской пойме при различных способах полива показали, что все варианты опытов являются энергосберегающими, так как отношение энергии, накопленной в биомассе урожаев, к затраченной совокупной энергии во всех случаях превышает единицу. На посевах люцерны второго года жизни коэффициент энергетической эффективности колебался от 2,53 до 2,82.
На посевах люцерны третьего года жизни был получен урожай меньше, чем на посевах второго года, что и привело к уменьшению накопленной энергии в урожае. Коэффициент энергетической эффективности при дождевании составил 2,63, а при внутрипочвенном орошении колеблется от 2,51 до 2,77. В среднем, коэффициент энергетической эффективности снизился на 9,8 %.
Анализируя данные, необходимо отметить, что с увеличением предполивного порога влажности с 60 до 80 % НВ как по годам исследований, так и в среднем за три года наблюдается рост затрат совокупной энергии применения машин и оборудования.
Таким образом, среди изучаемых способов полива люцерны по вариантам опыта самую высокую биоэнергетическую эффективность имеет ВПО при поддержании предполивного порога влажности 80 % НВ. При этом коэффициент энергетической эффективности составляет 2,77-2,82.

Выводы

    •  Установлено, что распределение влаги после полива и форма контуров увлажнения при внутрипочвенном орошении определяются прежде всего водно-физическими свойствами почвы, конструкций увлажнителя и гидравлическим режимом их работы.
    •  Большое положительное влияние на качество увлажнения почвенного слоя оказывают поливные нормы. При поливе большими (600 м3/га) нормами поливная вода просачивается на большую глубину, чем при малых. Однако малые поливные нормы создают более равномерное увлажнение по всему профилю почвы.
    •  Для определения расхода воды в голове увлажнителя и удельного расхода воды в увлажнителях в зависимости от напора в голове и продолжительности полива приведены математические зависимости, позволяющие подсчитать подачу оросительной воды за любой промежуток времени при различных напорах.
    •  Проведенные опыты позволили установить, что годовой экономический эффект при внутрипочвенном поливе получен за счет снижения затрат энергии в размере около 1000 Мдж/га, по сравнению с дождеванием. Энергетический коэффициент при ВПО составил 2,50-2,82.
    •  Использование систем ВПО для полива люцерны на зеленую массу в условиях аллювиальных, слоистых легких суглинков позволяет повысить урожайность этой культуры на 11-15 % при меньших затратах труда и экономии поливной воды на 10-13 % по сравнению с дождеванием (ДДА-100МА).