Различные методы расчета режимы орошения.

Метод Алпатьева. Метод назван биоклиматическим. В его основе лежит установленный теоретически и проверенный на практике факт – расход влаги орошаемым полем при нормальном развитии растительной массы (высоких урожаях) обусловлен теплоэнергетическими ресурсами атмосферы. Если растительная масса развита недостаточно, что соответствует плохим урожаям, то расход влаги в значительной мере определяется и уровнем ее развития. В целом это означает, что потребление растениями воды при оптимальной влагообеспеченности изменяется под влиянием географических условий среды, главным образом климата, и биологическим особенностей растений. Следовательно, потребление растениями воды является биогеографической категорией. Эти закономерности отражены в уравнении вида;

где Е – суммарное испарение, мм;

К – коэффициент суммарного испарения, зависящий от культуры и фаз ее развития;

d – среднесуточное значение дефицита влажности воздуха за n сут, Мб.

Биологический коэффициент, который в течение вегетационного периода изменяется для каждого вида растения по-своему, представляет собой показатель потребности растений в воде, отражающий биологические особенности растений. С учетом этой зависимости можно рассчитывать суммарное испарение как за короткие отрезки вегетационного периода, так и за весь период вегетации:

Получение фактические биологические коэффициенты (коэффициенты суммарного испарение) наносят на график, где по оси ординат откладывают значения коэффициентов суммарного испарения, а по оси абсцисс – сумму среднесуточных температур, начиная от всходов и кончая периодом созревания. Кривая изменения коэффициентов суммарного испарения представляет собой биологическую кривую, отображающую влияния ритмов развития на режим потребления воды растениями. Располагая данными наблюдений за температурой и влажностью воздуха и имея коэффициент суммарного испарения, можно установить динамику суммарного испарения за весь период вегетации. Сопоставление этого показателя с величиной осадков дает возможность следить за изменением влагозапасов в почве, что позволяет устанавливать предельный сроки поливов и величины поливных норм, т.е. формировать режим орошения культур, при этом необходимо знать величину начальной влажности, полевой влагоемости и критической возможности почвы. Предельный срок полива наступит тогда, когда влажность в расчетном слое достигнет критического уровня. Величина поливной нормы равна: m_мах=(W_пв-W_кр) а, т.е. разности между запасами влаги в почве, соответствующими полевой влагоемкости и критической влажности (а>I).

При назначении более ранних сроков полива или же при любом другом сроке полива величину поливной нормы m определяют по уравнению:

 

где W_пв- влагозапасы в расчетном слое при данной поливной влагоемкости;

W_факт- фактический запас влаги в расчетном слое почвы в момент полива.

Метод А.М. и С.М.Алпатьевых, получивший широкое применение для назначения сроков полива, требует систематических наблюдений за осадками и дефицитом влажности воздуха, а также знания биологических коэффициентов водопотребления возделываемых культур, характерных для данных почвенно-климатических условий.

Метод разработан для зоны неустойчивого увлажнения. Основанный на учете водопотребления, он не учитывает подток от грунтовых вод, поэтому попытки использовать его в гумидной зоне ведут к значительному завышению оросительных и поливных норм.

Метод Н.В.Данильченко. В основу метода положена биоклиматическая модель определения водопотребления с последующим установлением оросительной нормы путем решения уравнения водного баланса орошаемого поля [13, 14]. Оросительная норма равна сумме подекадных дефицитов водопотребления за вегетативный период орошаемой культуры:

где М – оросительная норма нетто;

- дефицит водопотребления за расчетный интервал времени.

где E_v- суммарное водопотребление (суммарное испарение) культуры в оптимальных условиях влагообеспеченности растений;

Р- атмосферные осадки;

V_a- активные влагозапасы в расчетном слое почвы;

G- капиллярный приток влаги из грунтовых вод при их близком залегании;

Величину суммарного водопотребление определяют по формуле:

мм,

где R_б- биологический коэффициент;

R₀- микроклиматический коэффициент;

Е- испаряемость (потенциальная эвапотранспирация).

Испаряемость подсчитывают по формуле Н.Н.Иванов:

где K_t- энергетический фактор испарения;

d- дефицит влажности воздуха, мб;

f(u)- функция, характеризующая влияние ветра.

Параметры испаряемости K_t и f(u) определяют по зависимости:

где t – температура воздуха, ⁰С;

l_a – упругость насыщенного пара, Мб.

где u₂- скорость ветра на высоте 2 м от поверхности земли, м/с.

Биологические коэффициент установлены по обобщенным экспериментальным данным. Они определены как осредненные отношения суммарного испарения культуры при оптимальном влагообеспечении к испаряемости по фазам развития растений и приурочены к интегральном кривым температур воздуха. Для Нечерноземной зоны биологические коэффициенты изменяются внутрисезонно в пределах 0,75…1,10, а в среднем за вегетацию – в пределах 0,94…1,0.

Микроклиматические коэффициенты (К₀) определены по экспериментальным и литературным данным и равны: в целом за вегетацию для южно-таежной зоны с избыточным увлажнением – 1,0, в отдельные засушливые декады – 0,94…0,95; в лесостепной влажной зоне – 0,98…1,0, а в засушливые декады – 0,90…0,94. Величину атмосферных осадков берут по наблюдениям на метеостанциях. Активные влагозапасы равны:

где V_НВ – влагозапасы при НВ в метровом слое почвы, мм;

- допустимый порог иссушения почвы перед поливом, доли НВ;

- коэффициент, показывающий степень фактического насыщения почвы влагой к началу вегетации;

h_k – расчетный слой почвы, изменяющийся в течение вегетации, см.

Участие грунтовых вод в водообеспечении растений возможно только при их близком залегании. Приток грунтовых вод (G) определяют по формуле:

где g_r – коэффициент капиллярного подпитывания, доли от E_v (суммарного водопотребления). Зависит от глубины залегания грунтовых вод, механического состава почв и глубины распространения корневой системы растений.

Отток влаги за пределы расчетного слоя определяют балансовым методом. Интервал для балансовых расчетов не превышает декады. Расчет выполняют на ЭВМ. Полученный многолетний ряд оросительных норм (30…35 лет) статистически обрабатывают, в результате чего получают нормы расчетной обеспеченности.

Для определение расчетной нормы водопотребления в США используют результаты лизиметрических наблюдений. При расчете норм увлажнения применяют экспериментальную формулу Блейни-Криддла:

где Е – месячная норма водопотребления;

Р – продолжительность часов дневного времени, % от годовой их суммы (принимают в зависимости от широты местности и месяца);

К – биологический коэффициент водопотребления данной культуры за месяц;

t – среднемесячная температура воздуха, ⁰С.

Значения биологических коэффициентов водопотребления за месяц принимают по данным ближайших научных учреждений. Потребность в орошении (оросительная норма – нетто) за месяц определяют по разности между суммарным водопотреблением сельскохозяйственной культуры и эффективными осадками. Последние рассчитывают по разности между фактическими осадками в средний по водности год и потерями их на испарение и сток, зависящими от характера дождей, почвы, культуры и пр. Норму увлажнения (брутто) подсчитывают исходя из коэффициента полезного действия межхозяйственной сети. Общих рекомендаций по учету капиллярного подпитывания почв нет, а имеются лишь результаты региональных исследований, которые не всегда учитываются.

Поливные нормы устанавливают из расчета увлажнения корнеобитаемого слоя почвы, основываясь на ее водно-физических свойствах. Простейшая методика определения количества воды, которое должно быть подано в корнеобитаемую зону, разработана Д.Р.Шокли. Корнеобитаемая зона делится на четыре слоя, и для каждого из них определяют количество извлекаемой растениями воды (в % от их общего водопотребления). Многочисленными исследованиями для западной части США установлено, что в зависимости от величины корнеобитаемой зоны количество воды, получаемое культурой в % от суммарного водопотребления (Ис), равно (цифры даны от поверхности земли): 0,25 м – 45% Ис; 0,25…0,5 м – 30% Ис, 0,5…0,75м – 20% Ис и 0,75…1,0 м – 10% Ис. Согласно этой методике содержание доступной влаги в верхней четверти корнеобитаемого слоя не должно опускаться ниже 20% общего запаса доступной воды. На основании обобщения даются таблицы значений поливных норм в зависимости от почвы и глубины корнеобитаемого слоя. Продолжительность поливного периода определяют как результат деления поливной нормы (нетто) на максимальный суточный расход воды растением. Число поливов и мездренные поливные периоды устанавливают для каждой культуры на региональных опытных станциях. Например, число поливов овощных и полевых культур за сезон изменяются от одного до трех (до семи при дождевании) в восточных штатах, до шести-десяти и более на засушливом западе. Наиболее эффективными считают частые поливы дождеванием малыми нормами (150…300 м³/га). Для определения времени полива и контроля за почвенной влагой широко используют тензиометры.

Таким образом, режим увлажнения в условиях США устанавливают на основании эмпирических зависимостей, полученных по материалам многолетних наблюдений за погодой и урожаями, а также лизиметрических наблюдений в различных районах страны. Преобладают региональные расчетные формулы. Все разработки касаются минеральных почв, данные по увлажнению торфяников в литературе не встречены.

В Канаде потребность в увлажнении определяют по метеорологическим данным. Для этого изучены 30-летные климатические материалы 59-ти селекционных станции, расположенных в различных климатических зонах страны. Сезонную потребность в увлажнении устанавливают для периода с 30.IV по 30.IX по уравнению водного баланса. Недельную и сезонную потребность в увлажнении определяют на основании обеспеченности влагой для шести вариантов запасов доступной влаги в почве (13, 25, 51, 76, 102 и 127 м) при обеспеченности в 75, 50, 26, 15, 10, 5 и 1%. Сравнивая варианты наличных запасов влаги в почве с суммарным испарением, находят сроки начала полива для различных случаев. Полив назначают в том случае, если доступный запас влаги становится ниже необходимого для данной культуры и района. Стандартное отклонение определяют по модели на основании зависимости между стандартным отклонением и количеством осадков за минусом вероятного испарения для шести вариантов запаса доступной влаги в почве. Расчеты стандартного отклонения производят для средних величин. На основании многолетних данных получены коэффициенты для расчета стандартного отклонения. Для месячных отрезков времени эти коэффициенты оказались близки и фактическим.

На основании многолетних данных по элементам водного баланса на всей территории страны, применения обычной методики анализа исходных величин (запаса влаги в почве и суммарного испарения), используемой в гидрологических расчетах, получены достаточно надежные показатели для обоснования режима увлажнения культур.

Во Франции для расчета потенциального водопотребления пользуются формулой Торнтвейта. По этому методу предлагается определить водопотребление по формуле:

дюймы,

где Е – месячное водопотребление;

t – средняя месячная температура, ⁰С;

У – сумма месячных индексов тепла за год, определяемых по формуле:

;

а – эмпирический коэффициент, определяемый по формуле:

а = 0,000000675 У³ – 0,0000771 У² + 0,01792 У + 0,49239.

Для упрощения расчетов составлена номограмма. Для четырех районов этой страны формула дает хорошую сходимость суммарного испарения, полученного на испарителях. Расхождение меньше, чем величина погрешности, допускаемая при измерениях.

Суммарного водопотребление рассчитывают также по методу Л.Тюрка. В первые две декады после посева, когда растения еще мало развиты, его выполняют по формуле для оголенной почвы:

а для почвы, покрытой растительностью:

где Е_Н – испарение за первые две декады;

Е_В – суммарное водопотребление в последующие декады;

Р – сумма осадков и поливной воды;

а – слой воды, испаряющейся за счет почвенных вод;

l – максимальное значение декадного испарения, определяют по формуле:

где J – суммарная солнечная радиация, кал/см в сут;

t – среднедекадная температура, ⁰С.

Когда l меньше 10 мм, водопотребление следует считать по формуле для оголенной почвы.

Фактор растительности (V) при оптимальном увлажнении определяют по формуле:

где М – общий вес сухой массы растений, п/га;

С – отношение коэффициента транспирации данного вида растительности к коэффициенту транспирации зерновых;

Z – номер рассматриваемой декады (декады занумерованы от 1 до Z).

Потребность в увлажнении определяют по формуле водного баланса:

где Р – сумма осадков за декаду;

Е – суммарное испарение, определяемое по формулам;

Д – сток (паводковый и подземный);

- дефицит влажности почвы в начале и конце декады.

В последнее время в Западной Европа метод Тюрка применяют главным образом для расчетов элементов водного баланса больших территорий.

В Германии режим увлажнения рассчитывают по разности между суммой эффективных осадков и фактическим испарением. Потенциальное испарение определяют по формулам Пенмана и Хауде с помощью испарителей, и оценивают повторяемость его суточных величин. Найдена и используется зависимость между продолжительность засушливых периодов и средней интенсивностью испарения.

Нормы поливов определяют по величине доступной влаги в почве, которую рассчитывают как разность между наименьшей влагоемкостью и влажностью завядания. Полив начинают при уменьшении доступной влаги до 30% от запаса влаги, а с учетом продолжительности полива всего поля – при 40…50%. Заканчивают увлажнение при увеличении до 70% общего запаса влаги в почве. Поливную норму определяют как разность между запасами воды в расчетном слое почвы, соответствующими 70 и 30% доступной влаги. Сроки полива находят по тензиометром с использованием графика зависимости потенциала от влажности почвы t (обычно ее принимают в пределах 20…40 мм). Каждую 1…2 недели местные метеостанции дают рекомендации по режиму орошения сельскохозяйственных культур.

В Англии, частично в Австралии и США метод Х.Л.Пенмана применяют для определения испарения с водной поверхности, оголенной почвы и травяного покрова на основе учета количества солнечной радиации, получаемой поверхностью земли. По количеству суточного тепла и испарения с водной поверхности рассчитывают суммарное водопотребление:

мм/сут,

где Е – суммарное водопотребление, мм;

- коэффициент, определяемый по формуле или по графику;

Е_а – испарение воды, определяемое по формуле:

 

где L_a – давление насыщенных паров при средней температура воздуха, мм рт.ст;

L_d – давление насыщенных паров при средней точке росы, мм рт.ст;

И₂ – средняя скорость ветра на высоте 2 м от земли, мили/сут;

Н – суточное количества тепла на поверхности земли, мм/сут, определяемое по формуле:

где R_a – вычисленная радиация, которая поступила бы на землю при отсутствия атмосферы, мм воды/сут;

- коэффициент отражения от поверхности, %;

n – фактическая продолжительность солнечного освещения;

N – максимальная возможность продолжительности солнечного освещения, ч;

G – константа Больцмана, G=2,1·10^-9 мм/сут;

GT_a⁴ – теоретическое излучение черных тел при температуре Т_а, мм/сут (определяют по специальной таблице).

В результате проведенной в разных районах США проверки метода установлена его относительная точность. В штате Калифорния вычисленное потенциальное водопотребление близко к испарению с мелких водоемов, а в штате Вашингтон установлено близкое совпадение расчетных с полученными на испарителях.

В Италии при определении поливной нормы (V) используют формуле Драгета:

м³/га,

где h – глубина активного слоя, м;

С – капиллярная влагоемкость;

W – влажность почвы, соответствующая влажности завядания.

Анализ зарубежных методов расчета режима увлажнения показывает, что в капиталистических странах основное внимание уделяют получению эмпирических связей для вычисления величины водопотребления, а также уравнений связи между погодными условиями и урожаем на материалах многолетних наблюдений. Общепринятой теоретической основы расчета режима увлажнения в этих странах нет.

В Польше потребность в дождевании определяют на основе водного баланса:

где М_бр – норма увлажнения (брутто);

К – коэффициент потерь воды при дождевании, равный 1,15…1,25;

Е_t – суммарное испарение;

Р – осадки;

R – запас влаги в почве, доступный растениям на период расчета.

В Румынии произведено сравнение вычисленных норм увлажнения и числа поливов, изменяющихся в зависимости от четырех факторов: от динамики влажности почвы, фаз развития растений, Е.Т.Р. (с поправкой) и Е.Т.R. Величина суммарного водопотребления Е.Т.Р. определяются количеством воды, израсходованной на испарение с поверхности почвы и транспирацию сомкнутого разительного покрова в условиях оптимальной обеспеченности растений водой. Е.Т.R. – фактический расход воды в условиях данного климата и почвы. На экспериментальной базе в городе Фундуля при возделывании кукурузы и сахарной свеклы в течение шести лет велись наблюдения за измерением Е.Т.Р. Значения Е.Т.Р. определяют по Торнвейту с применением поправочных коэффициентов Ботзана. Полученные данные сравнивают с фактическом режимом полива, который установлен на основе систематических наблюдений за динамикой влажности почвы, а также с режимом полива, принятым с учетом потребности растений в воде в критические фазы развития. Установлено, что режим увлажнения, принятые с учетом Е.Т.Р. и Е.Т.R., совпадают с требуемыми режимами увлажнения лишь в отдельные годы. Для получения более точных режимов предполагается найти коэффициенты пересчета на основания лизиметрических данных.

В 1964-1966 гг. в Германии на типичных лугопастбищных угодьях выполнены исследования по орошению пастбищ. Опыты по вариантам орошения с дозами удобрений 250…400 кг/га по азоту. За пять лет средняя прибавка от орошения составила около 7%. В начальный период первого отрастания травы орошение не проводят. Норму увлажнения на каждое отрастание устанавливают в пределах 30…40 мм и осуществляют его в первую треть периода отрастания. Только в особо засушливые периоды орошение проводят непосредственно после стравливания пастбищ. При этом поливную норму увеличивают, если во вторую треть отрастания орошение не проводят. Норму увлажнения устанавливают в зависимости от погодных условий, потребностей в воде травостоя и дозы азотных удобрений. Годовая норме увлажнения на пастбищах может изменяться от 80 до 150 мм.