Конструктивно-технологическое совершенствование капельного орошения яблоневых садов на основе моделирования области увлажнения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Куприянов Андрей Александрович

• Куприянов Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Куприянов Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВЫХ САДОВ

1.1 Особенности возделывания яблоневых садов на капельном орошении

1.2 Компоновочно-конструктивные решения индустриальных яблоневых садов

Выводы по главе

2 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВЫХ САДОВ

2.1 Модульный подход к планировке садов и оросительных сетей при капельном поливе садовых культур

2.2 Влияние размещения капельных модулей на геометрию зон увлажнения растений

2.3 Проектирование одно- и двухниточного поливных модулей

для капельного орошения яблоневых садов

Выводы по главе

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ НА РЕЖИМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВЫХ САДОВ

3.1 Водопотребление яблонь по фазам развития при капельном орошении в условиях юга России

3.2 Математическое моделирование поливной нормы при капельном орошении на основе водно-физических параметров области увлажнения

Вывод по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВОГО САДА

4.1 Общая методика проведения экспериментальных исследований

4.2 Общие подходы к проектированию режима орошения яблоневых садов при капельном орошении для различных типов почв

4.3 Методика исследования конфигураций локальных контуров влажности с учетом водно-физических характеристик почв

4.4 Результаты экспериментальных исследований области увлажнения при капельном орошении

4.5 Оценки погрешности определения геометрических параметров области увлажнения

Выводы по главе

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВОГО САДА НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Моделирование очертания и размеров контуров насыщенной зоны области увлажнения

5.2 Определение объема области увлажнения по экспериментальным данным для различных типов почв

5.3 Расчет режима капельного орошения с учетом локальных объемов контура увлажнения

Выводы по главе

6 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ

6.1 Технико-экономическая эффективность разработанных технических решений

6.2 Перспективы внедрения в производство и агромелиоративные рекомендации по индустриальному возделыванию яблоневых садов

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивно-технологическое совершенствование капельного орошения яблоневых садов на основе моделирования области увлажнения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Доктрина продовольственной безопасности РФ и Стратегия развития АПК РФ к 2030 году предусматривают двукратное увеличение производства плодово -ягодной продукции.

На сегодняшний день валовое производство плодоовощной продукции в стране удовлетворяет потребности населения немногим более чем на 30 %. Россия является крупнейшим в мире импортером фруктов и ягод, однако обеспеченность ими населения не достигает медико-биологических норм.

В целях достижения показателей, установленных директивными актами, и реализации импортозамещения в плодово-ягодном сегменте сельскохозяйственного производства федеральными и региональными программами развития предусмотрено расширение площадей садово -ягодных насаждений, выращиваемых с использованием промышленных технологий транспортировки, а также уход и повышение продуктивности плодовых деревьев, выращиваемых в промышленных садах.

Повысить производственно-экономические показатели плодоводства в южной влагодефицитной природно-климатической зоне можно только за счет орошения. А в связи с острой нехваткой водных ресурсов в районах степной и сухостепной природных зон наиболее целесообразно выращивать садовые насаждения при капельном орошении.

Имеющийся опыт регионов Южного федерального округа показал примеры достаточно эффективного садоводства с капельным орошением. В то же время имеются примеры безвозвратных инвестиций в создание и использование капельного орошения в садах при сравнительно небольшом приросте производства фруктов. Данное обстоятельство связано с недостаточным уровнем научного обоснования проектирования и эксплуатации яблоневых садов и, особенно, важнейшего эксплуатационного элемента систем капельного орошения - оросительного модуля. Научно обоснованное решение его конструк-

ции и размещения садовых посадок обеспечит качественный капельный полив, что создаст благоприятные условия для водного режима яблонь сада.

Степень разработанности темы исследований. В процессе исследования был проведен анализ научно-технической информации о капельном орошении и системах его ирригации. Исследованы работы ряда известных специалистов в области капельного орошения, плодоводства и гидромелиорации.

При подготовке научно-аналитического обзора были проанализированы публикации известных отечественных специалистов в области капельного орошения (М.С. Григоров, Б.А. Шумаков, А.Д. Ахмедов, Е.П. Боровой, В.В. Бородычев, В.С. Бочарников, М.К Гаджиева, Е.Ю. Галиуллина, Н.В. Кузнецова, Е.В. Кузнецов, Е.В. Мелихова, М.П. Мещеряков, А. С. Овчинников, Н.А. Пронько, В.В. Корсак, А.В. Кравчук, И.В. Ольгаренко, В.В. Пчелкин, М.И. Ромащенко, А.Е. Хаджиди, М.Ю. Храбров, В.Н. Шкура, А.С. Штанько, А.В. Шуравилин, О.Е. Ясониди и др.), в области общего и орошаемого плодоводства (Н.В. Агафонова, Б.С. Гегечкори, А.В. Гемонов, М.И. Калинина, Г.С. Егорова, П.И. Ковалесенко, В. Копылова, Н.П. Кривко, В.П. Попова, М.Ю. Рудь, Н.И. Рычкова, Д.П. Семаш, Т.Г. Фоменко и др.).

Проведенный анализ подтвердил недостаток развития в области интеграции научных исследований в плодоводстве и орошаемых системах, включая капельное орошение.

Цель исследования - совершенствование элементов конструктивно-технологических средств и параметров режимов капельного орошения яблоневых садов на основе моделирования области увлажнения в условиях южных черноземов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе результатов аналитического обзора разработать усовершенствованные компоновочно-конструктивные решения систем КО.

2. Разработать математическую модель определения поливной нормы с учетом объема насыщенной зоны увлажнения, моделируемой телом вращения с криволинейной образующей.

3. Экспериментально исследовать зависимость конфигурации контуров и объёма насыщенной зоны области увлажнения от водно -физических характеристик южных черноземов Ростовской области.

4. Обосновать методику определения поливных норм, учитывающую объем насыщенной зоны области увлажнения, схемы посадки и водно -физические свойства почв при капельном орошении.

5. Оценить технико-экономическую эффективность внедрения результатов исследования.

Научная новизна определяется усовершенствованием методики расчета элементов режима капельного орошения яблоневых садов на основе модификации математической модели поливной нормы с учетом уравнений контуров насыщенной зоны увлажнения для различных компоновочно-конструктивных решений, включая типы почв, а также экспериментально полученных резул ь-татов исследований агрофизических параметров южных черноземов, используемых для определения объема области увлажнения. Новизна технических решений подтверждена патентами № 2817068, 2796493, 2801004.

Теоретическая значимость работы заключается в теоретико-экспериментальном обосновании расчета поливной нормы КО яблоневых садов на основе математического моделирования насыщенной зоны области увлажнения.

Методики и разработанные математические модели для обоснования параметров объема насыщенной зоны увлажнения при капельном поливе и определении поливных норм, обеспечивающих требуемое водопотребление прикорневой зоны.

Практическая значимость работы. Разработаны элементы конструктивно-технологических схем систем капельного орошения, обеспечивающие повышение эффективности индустриального садоводства.

Результаты технико-экономической оценки эффективности разработанных технических решений и рекомендуемые режимы КО для выбранных схем посадки и компоновки яблоневых садов.

Методология и методы исследования. Объект исследования - система капельного орошения яблоневых садов. Предмет исследования - теоретико-экспериментальные методы совершенствования капельного орошения яблоневых садов на основе моделирования в условиях южных черноземов.

Методологическую основу исследований составили: системный анализ, методы сбора и статистической обработки экспериментальных данных; методы математического моделирования; методики разработки информационных технологий; научно-методические и нормативные документы, регламентирующие разработку и эксплуатацию мелиоративных систем садов при капельном орошении.

Положения, выносимые на защиту.

- Выявленные направления решения проблем капельного полива яблоневых садов, включающие совершенствование конструктивных решений и компоновочных схем расположения яблонь с учетом рационального деления садовых кварталов на «клетки».

- Модифицированная математическая модель для определения поливных норм, учитывающая объем насыщенной зоны области увлажнения при КО на основе аппроксимации координат её границ для исследованных типов почв, типичных для южных черноземов.

- Совокупность координат границ области увлажнения при КО садов для исследуемых типов почв и их агрофизических параметров (содержание физической глины, наименьшая влагоёмкость почвы, плотность сложения), обеспе-

чивающих определение объема насыщенной зоны области увлажнения южных черноземов Ростовской области.

- Методика определения поливных норм и числа поливов по фазам развития яблонь с учетом схем посадки и водно-физических свойств почв при КО южных черноземов.

- Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения исследований и рекомендации для индустриального садоводства.

Степень достоверности и апробация результатов. Научные результаты докладывались на Национальных и Международных научно-практических конференциях, в частности: «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в условиях цифровой трансформации», посвящённая 80-летию со дня основания ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ (Волгоград, 08-09 февраля 2024 г.); Международный форум молодых ученых «Мелиорация будущего: тренды, технологии и инновации в сельском хозяйстве», ФГБНУ «ФНЦ гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова» (Москва, 28-29 марта 2024 г.); Всероссийская научно-практическая конференция (НПК): «Научные основы адаптивного растениеводства в засушливых регионах», ФГБНУ «ФНЦ агроэкологии РАН» (Волгоград, 24-25 апреля 2024 г.); Международная НПК «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в условиях цифровой трансформации» (Волгоград, 09-11 февраля 2022 г.); Международная НПК «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в современных экономических условиях» (Волгоград, 10-12 февраля 2021 г.) и др.

Достоверность результатов работы подтверждается сопоставимостью расчетов с полученными другими исследователями результатами исследования капельного орошения, а также статистическими оценками опытных данных.

Публикации. Автором работы опубликовано 27 статей (в соавторстве), включая 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК.

Также получены 3 патента на изобретение и 2 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение, список литературы и приложения.

Диссертационная работа изложена на 171 страницах текста с 29 таблицами и 45 рисунками.

Автор выражает благодарность ученым РосНИИПМ: академику РАН В.Н. Щедрину, профессору В.Н. Шкуре и ведущему научному сотруднику А.С. Штанько за предоставленную возможность участия в проведении экспериментальных исследований, формировании научных гипотез и обсуждении результатов экспериментов.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВЫХ САДОВ

Программы развития садоводства, включая южные регионы РФ требуют увеличение объема площадей индустриальных садов и интенсификации плодоводческой отрасли. Современные достижения научно-технического прогресса (НТП) в сфере промышленного садоводства позволяют оптимизировать основные технологические процессы и агротехнологические работы, включая орошение и фертигацию [13, 65]. Исследованиями ученых-плодоводов и инженеров найдены современные подходы и технологии проектирования садовых территорий, а также в рамках индустриальных технологий [17, 33, 37, 83, 95].

1.1 Особенности возделывания яблоневых садов на капельном орошении

Наиболее общие подходы к закладке, формированию и организации орошения садовых насаждений, а также к моделированию параметров пространственных областей в процессе капельного орошения подробно рассмотрены в фундаментальной монографии В.Н. Шкуры, Р.С. Масного и А.С. Штанько [97], подготовленной по результатам многолетних исследований ученых РосНИ-ИПМ (г. Новочеркасск).

Рациональная организация территории промышленного сада, по мнению Б. С. Гегечкори и др., должна предусматривать необходимые ГТС и внут-риквартальные оросительные сети [17].

В соответствии с рекомендациями Куренного Н. М. [48], ширина квартала оросительного участка должна составлять Вкв = 600 м, а его длина - Ькв = 150...300 м. Кроме того, в той же работе рекомендовано располагать поливные трубопроводы вдоль короткой стороны садовых кварталов.

Важные предложения по устройству водоподводящей и поливной сетей КО перечислены М. Ю. Храбровым и Н. Г. Колесовой в работе [89], включая следующие: организация территории орошаемого угодья (водозабор, напорный

блок, водоподготовка, блок агрохимической подготовки, оросительная сеть, экологический блок, материально-техническое обеспечение и др.); модульные поливные участки.

Представляет интерес система КО «Таврия», площадь поливного модуля которой равна бУмод = 12,5 га [58]. Данная система предназначена для интенсивных садов с прямоугольными кварталами Б = 10.. .15 га при отношении сторон 2 : 1 и протяженности рядов 120 м.

В целом, при проектировании садов с КО важно учитывать рельеф местности, качество и минерализацию поливной воды, особенности посадки и возделывания культур. Неправильное размещение поливных систем может привести к неравномерному увлажнению почвы и снижению эффективности орошения. Важным элементом организации садов является правильное зонирование и планировка участков (садовых кварталов). Рекомендуется использовать модульный подход для орошаемых садов с учётом направления рядов растений, особенностей рельефа и влияния ветров.

Научные исследования факторов, определяющих формы и размеры локальных контуров зон увлажнения при капельном поливе, имеют важное значение для проектирования индустриальных садов.

Таким образом, в орошаемом садоводстве остается не полностью решённым ряд проблемных вопросов территориального обустройства садовых насаждений, возделываемых на КО:

- новые компоновочные схемы оросительной сети, включающей модульные блоки;

- оптимизация числа и расположения капельниц для каждого насаждения, учитывающего конфигурацию корневой системы;

При этом остаётся востребованным обоснование процентной доли площади увлажнения древесных культур с использованием нескольких капельниц.

Перечисленные проблемы делают актуальной задачу разработки и усовершенствования систем КО древесных насаждений, обеспечивающих рост,

развитие, продуктивность садовых яблоневых культур с целью повышения эффективности капельного орошения и минимизации негативных последствий, таких как вторичное засоление и переувлажнение.

1.2 Компоновочно-конструктивные решения индустриальных яблоневых садов

1.2.1 Размещение насаждений на территории яблоневых садов

Схема посадки яблоневых насаждений характеризуется расстояниями Ьр между штамбами деревьев и Вм/р в междурядьях [11, 44]. Тогда схема размещения растений описывается в виде (В^ х В ).

Учеными-садоводами и специалистами-практиками предложены и используются схемы размещения саженцев в индустриальном садоводстве для районированных сортов [17, 38, 56, 85].

По результатам исследований [48] установлено, что ширина междурядий (Вм/р) в прямоугольных схемах размещения может составлять 1,5.2,0 м расстояния (В) между растениями в ряду.

Ширина прохода для технологических и уборочных с. -х. машин принимается в пределах 2,0.2,5 м по рекомендациям Б. С. Гегечкори [17].

Таким образом, рекомендуемые значения геометрических параметров размещения деревьев обеспечивают объем жизненного пространства ^ж/п = ®пит • Нр при площади питания юпит = Вм/р ■ Вр, доступные одному дереву. Основным параметром является площадь питания, геометрически характеризующую поверхность почвы, доступную корневой системе дерева в процессе вегетации. Согласно экспериментальным данным В. А. Колесникова [33], площадь увлажнения должна составлять: (35±3) м2 - для сортов сильнорослых привоев на сильнорослых подвоях; (34±2) м2 - среднерослых; (23±2) м2 - сла-

борослых привоев, для яблоневых садов, возделываемых на черноземах южной зоны РФ.

Схемы размещения деревьев могут учитывать асимметрию увлажняемой поверхности питания, с уменьшенными размерами по направлению ряда растений. При этом размеры области питания за счет междурядий могут достигать двухкратного превышения размера вдоль рядов [85].

Проведенный анализ рекомендаций по проектированию садовых кварталов показывает необходимость проведения более глубоких исследований проблематики обустройства и орошения яблоневых садов.

Основы теории проектирования садовых кварталов включают систему рекомендаций, изложенных в указанных публикациях [33].

В работе И. С. Леонович [49] при возделывании яблонь на карликовых подвоях рекомендуется проектировать садовые кварталы площадью 8.10 га прямоугольной формы ¿кв X В^ = 200^500. Для варианта полукарликовых деревьев площадь кварталов необходимо увеличивать до 12.18 га. Для условий с сильными ветрами площадь кварталов следует уменьшать до величины 4.6 гектаров.

В работе [44] при планировании кварталов рекомендовано принимать следующие значения площадей (^з) садовых участков:

- 15.18 га в экстенсивных яблоневых садах;

- 12.15 га в полуинтенсивных садах;

- 8.10 га для интенсивных садов.

В почвенно-климатических условиях садоводства Республики Крым известны рекомендации для проектирования кварталов площадью ^кв = 12.20 га с линейными размерами ¿кв X В^ = (500.600)х(250.300) м. В условиях острозасушливого климата и/или интенсивных ветров упомянутые площади снижают до 8.10 га со сторонами в пределах 400.250x400.200 м [79].

При наличии допустимых уклонов ас земельных участков площади садовых кварталов выбирают несколько иными. Согласно рекомендациям [33], при ас = 3 ... 5° ширину В^ следует выбирать равной 200.300 м. В случае уклона в пределах ас = 5.8° её уменьшают до 150.200 м, а при ас = 8.12° - В^ = 40.50 м. Длинную сторону квартала располагают параллельно древесным насаждениям по направлению горизонталей рельефа.

Известны подходы, когда большие кварталы делят на более мелкие садовые клетки размером в пределах 100.150 м, которые ориентируют в поперечном направлении относительно межквартальных дорог. Пример размещения защитных квартальных и межквартальных лесополос и дорог типового квартала по [44] представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Компоновка клеток типового квартала садового насаждения:

1 - садовая клетка; 2 - садозащитная лесная полоса; 3 - межквартальная (внутрисудовая) дорога; 4 - внутриквартальная (межклеточная) дорога; 5 - межквартальная защитная лесополоса; 6 - древесно-плодовые растения

Садовые клетки имеют площадь ^кл = 2.3 га и характеризуются схемой расположения полос культур основного сорта и двумя-тремя рядами сортов-опылителей [33, 17]. Пример планировки садовой клетки с растениями-опылителями по [44] представлен на рисунке 1.2.

Направление лета пчел

О

о о о о о о о о о о о о о о о о о

< < X X

<

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

о

<1 <

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

о о 2

< <

X X

< <! X X

о о о о

<1 <t

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

о о

< < X X

о о

< <1

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X

X X I

X X

X X

о о

Рисунок 1.2 - План расположения растений:

х - основной сорт; А - опылители; 1 - межквартальная защитная лесополоса;

2 - опылитель-1; 3 - опылитель-2; 4 - основной сорт

В процессе проектирования планировки сада с использованием модульного принципа следует садовые кварталы закладывать равными по площадям и с одинаковыми размерами сторон.

Важным достоинством КО является возможность обеспечения бесстокового полива склоновых земель, что позволяет применять эту технологию при орошении сельскохозяйственных угодий на пологосклоновых земельных участках. Исследованиями в области КО Ясониди О.Е., Храброва М. Ю., Постновой А.К. [112], и других ученых установлены базовые показатели формирования ассиметричных контуров влажности почвы (рисунок 1.3), определяемые уклонами поверхности почвы [55, 45, 89, 98, 100].

Рисунок 1. 3 - Схема формирования ассиметричных контуров корневой системы

дерева в условиях уклона

Ученые-садоводы учитывают известные закономерности развития корневых систем садовых растений, характерные для конкретных почвенно-климатических условий [17, 33, 69, 89]. Отметим, что прогнозные значения геометрических параметров корневых систем получены для случаев уклонов поверхности почв, не превышающих 0.035. Настоящее исследование направлено на изучение особенностей корневых систем яблоневых деревьев, культивируемых на склонах с крутизной до 9°.

1.2.2 Компоновочно-конструктивные решения поливных модулей для капельного полива садовых насаждений

Поливные модули капельных оросительных систем предназначены для полива одного ряда яблоневых деревьев в садовых насаждениях по индустриальным технологиям ведения технологических и мелиоративных работ с целью определения геометрических параметров области капельного увлажнения почв, обеспечивающих оптимальные условия развития корневых систем.

Базовыми задачами обоснования проектирования капельных поливных модулей являются [10, 100]:

1. Определение количества и положения капельных поливных линий, обеспечивающих полив одного ряда яблоневых растений в индустриальных садах.

2. Определение числа и расположения капельниц для одного яблоневого дерева.

В индустриальных садах применяются различные компоновочно-конструктивные схемы расположения капельных линий.

Однониточный поливной модуль может иметь и более двух капельниц на каждое растение. Например, на рисунке 1.4 приведена схема однониточного поливного модуля для полива сада со схемой посадки древесных растений 4,0 х 2,0 м и тремя капельными микроводовыпусками на каждое дерево в садовом насаждении. Расстояние между капельницами составляет 0,50 м при диаметре контура влажности 0,48 м [104].

Ось междурядья

Ось междурядья

Рисунок 1.4 - Схема однониточного поливного модуля с использованием трех капельниц на каждое дерево при Лкон = 0,6 ^кон [99]

в условиях легкосуглинистых почв

.1____J_____

Ось междурядья в условиях тяжелосуглинистых почв

.1____J_____

Ось междурядья в условиях легкоглинистых почв

Рисунок 1.5 - Схемы однониточного поливного модуля с использованием одной капельницы на каждое дерево

В современной практике возделывания многолетних древесных плодовых насаждений наибольшее распространение получила однониточная схема расстановки капельных микроводовыпусков (однониточный поливной модуль). Модуль включает один поливной трубопровод, расположенный вдоль оси и непосредственно около ряда древесных насаждений. Однониточный поливной модуль может предусматривать для полива каждого дерева в насаждении как одну капельницу, так и несколько. На рисунке 1.5 представлены примеры однониточного поливного модуля с использованием одной капельницы на дерево для схемы посадки растений 4,0 х 1,5 м при заданной глубине увлажнения кувл = ккон = 0,8 м [99].

Однониточный поливной модуль с одной капельницей не обеспечивает увлажнения требуемой доли площади увлажнения от площади питания растения и составляет от 0,1 до 0,5 [42].

Применение однониточного поливного модуля с двумя капельницами на каждое растение возможно для полива многолетних плодовых насаждений в определенных условиях. Чем меньше площадь питания, отведенная растению, больше природно-климатическая влагообеспеченность и тяжелее по механическому составу почвы, тем выше вероятность соответствия формируемых одно-ниточным поливным модулем зон увлажнения требованиям плодового древесного садового насаждения.

При использовании однониточного поливного модуля, предусматривающего несколько капельниц, не допускается расположение капельниц непосредственно у штамба растения или ближе 20 см от него. Такая компоновка не обеспечивает равномерного распределения влажности относительно ствола дерева.

Для соответствия капельного поливного модуля требованиям садовых насаждений по критерию «доли поливной площади» и расположению капельниц относительно штамба растения необходимо использовать двухниточную

схему, подразумевающую две капельные линии, расположенные на одинаковом расстоянии от оси ряда.

При проектировании систем капельного орошения яблоневых садов можно использовать технические решения, направленные на практическую реализацию результатов математического моделирования (Патенты РФ № 2770695, 2643730, 154632 Ш) и их компьютерную реализацию (свидетельства регистрации программ для ЭВМ № 2018619784 и баз данных №2017620719 и др.).

1.3 Теоретические предпосылки моделирования влагопереноса в насыщенных и ненасыщенных почвах при капельном орошении

1.3.1 Основные агрофизические характеристики и классификации почв

Важную роль в расчете водоудерживающей способности почвы играет её гранулометрический состав, который непосредственно влияет на объем воды в ненасыщенной среде. Основные фракции почвы (песок или глина) имеют разные свойства, связанные с водопроницаемостью, водоудерживающей способностью и доступностью влаги для растений (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Классификация почв по гранулометрическому составу

(Н.А. Качинский)

Содержание физической глины (частиц < 0,01 мм), % Краткое название

Почвы подзолистого Почвы степного типа Солонцы и сильно- почвы по грануло-

типа почвообразова- почвообразования солонцеватые почвы метрическому соста-

ния ву

0-5 0-5 0-5 Песок рыхлый

5-10 5-10 5-10 Песок связный

10-20 10-20 10-15 Супесь

20-30 20-30 15-20 Суглинок легкий

30-40 30-45 20-30 Суглинок средний

40-50 45-60 30-40 Суглинок тяжелый

50-65 60-75 40-50 Глина легкая

65-80 75-85 50-65 Глина средняя

>80 >85 >65 Глина тяжелая

Песчаные почвы характеризуются крупными частицами и высокой водопроницаемостью. Вода легко проходит через такие почвы, но они имеют низкую способность удерживать воду. Поэтому песчаные почвы требуют частого полива небольшими объемами воды, так как вода быстро проникает в глубокие слои и становится недоступной для корней. Вода в песчаных почвах задерживается недолго, поэтому нужно чаще восполнять запасы влаги в корнеобитаемом слое. При этом необходим частый полив с меньшими объемами воды, чтобы избежать потерь на глубокое проникновение [60].

Супесчаные почвы имеют больше мелких частиц, чем песчаные, и могут удерживать больше воды. Водопроницаемость здесь также высокая, но лучше, чем у песчаных почв, водоудерживающая способность. Для этих почв полив должен быть регулярным, но объемы воды могут быть больше, чем для песчаных почв, так как супесчаные почвы могут удерживать влагу дольше. Однако по-прежнему важно следить за тем, чтобы вода не уходила глубоко. На этих почвах важно проводить умеренный полив с регулярной проверкой уровня влаги [107, 113].

Суглинистые почвы содержат более сбалансированное количество песка, ила и глины, что позволяет им сочетать хорошую водопроницаемость с хорошей водоудерживающей способностью. Эти почвы могут удерживать больше воды, чем песчаные и супесчаные. Для суглинистых почв необходимы более редкие, но более обильные поливы. Влага в таких почвах дольше задерживается в зоне корней растений, поэтому можно проводить полив реже, но с большими объемами воды. Для этих почв характерны более редкие поливы с большими объемами воды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Куприянов Андрей Александрович, 2025 год

использования.

По приведенным на рисунке 2.8 схемам можно заключить:

1. Для принятой к рассмотрению схемы размещения растений выделенная площадь питания каждого дерева составляет ¿упит = Вм/р • Ьм/р = 4,0 х 2,0 = 8,0м .

2. Диаметр контура влажности составит

dкoн = 0,62 • 1,0 • (49,8 /25,2)0,71 = 1,0м, при этом диаметре площадь контура увлажнения - юкон = 0,785 • 1,02 = 0,785м2.

3. Соотношение увлажняемой площади к площади питания юувл / юпит при

одной капельнице на растение (схема (а)) составит 0,785/8,0=0,098 или 9,8 %, а для (схемы (б)) с двумя капельницами составит 19,6 %, что близко к нижнему пределу рекомендуемого значения и не соответствует рекомендациям, приведенным в [112].

4. При приштамбовом расположении одной капельницы (по рисунку 2.8 а) формируется локальный контур влажности в приштамбовой зоне корневой системы растения, что из-за переувлажнения почвы не соответствует рекомендациям, приведенным в [96, 98].

5. При устройстве двух капельниц формируется полоса увлажнения из двух расположенных в пределах кроны локальных контуров влажности с асси-метричным их расположением относительно штамба древесного растения (рисунок 2.8 б).

Относительно малые площади увлажнения по сравнению с площадью питания, следовательно, и с областью распространения корневой системы, растения и приштамбовое расположение контуров влажности не позволяет позитивно оценить приведенные на рисунке 2.8 схемы однолинейных поливных модулей. Вышеуказанные недостатки, присущие однолинейной схеме поливного модуля, могут быть устранены в приведенной на рисунке 2.15 двухлинейной его компоновочно-конструктивной схеме.

Рисунок 2.15 - Схема двухлинейного поливного модуля:

• - штамбы деревьев; х - капельницы; х х х х х - капельные линии проекции крон;--очертания контуров; ---------- осевые линии междурядий

В соответствии с рисунком 2.15 для капельного полива одного растения предусмотрено по 4 капельницы, что позволяет сформировать в пределах под-кронового пространства полосу увлажнения шириной близкой к 2-м метрам. При этом площадь увлажнения одного растения составит 3,14 м или «40 % от площади его питания, что близко к рекомендуемому диапазону значений соотношения £У /®пит [95]-

2.4 Совершенствование технических решений в области капельного орошения садов

В результате проведенного аналитического обзора, представленного в п.1.2, включая проведенные нами патентные исследования в области капельного орошения садов, были выявлены основные проблемы, требующие разработки новых технических решений.

Основные технические решения, разработанные при участии автора для устранения выявленных недостатков, представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Новые технические решения, обеспечивающие совершенствование систем капельного орошения, преимущественно яблоневых садов

Номера патентов РФ и классы МПК Решаемая задача Авторы и заявители

Устройство для капельного орошения древесных насаждений, Патент № 2817068, МПК Л0Ю 25/02 Увеличение равномерности зоны увлажнения плодовых деревьев и улучшение питания корневых систем Е. В. Мелихова, А. Ф. Ро-гачев, А. А. Куприянов, Д. С. Синяткин; ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ

Система капельного орошения, Патент № 2822886, МПК А0Ш 25/02 Сохранение водно-солевого баланса в зоне аэрации и предотвращение поднятия уровня грунтовых вод при проведении капельным способом систематических поливов с.-х. культур А. Е. Новиков, А. А. Куприянов, В. Н. Щедрин, [и др.].; ФГБНУ ВНИГИМ им. А.Н. Костякова

Модульно- комбинированная оросительная система, Патент № 2796493, МПК А0Ш 25/00 Обеспечение полноценного полива орошаемых участков сложной формы за счет комбинирования орошаемых модулей с различными способами полива Е. В. Мелихова, А. А. Куприянов, А. Ф. Рогачев [и др.]; ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ

Блочно-составная оросительная система для равнинно-склонной зоны, Патент № 2801004, МПК Л0Ю 25/00 Обеспечение качественного и своевременного полива равнинно-склонных участков в пределах орошаемого массива различных с.-х. культур Н. В. Бабоченко, Н. Ю. Петров, ..., А. А. Куприянов; ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ

Мелиоративный комплекс многоцелевого назначения, Патент № 2745569, МПК А0Ш 25/00, Л0Ю 25/02, Л0Ю 29/00 Обеспечить подвод воды на с.-х. поля, испытывающие недостаток влаги, регулировать кислотность или щелочность почвы, обогащать элементами питания и повысить урожайность сельскохозяйственных культур С. М. Васильев, В. Н. Щедрин, ., А. А. Куприянов; ФГБНУ РосНИИПМ

Модульно-комбинированная оросительная система (Патент № 2796493) разработана для участков сложной конфигурации (рис. 2.16). Модульно-комбинированная оросительная система предназначена для использования участков различных уровней с использованием дождевального, капельного и внутрипочвенного орошения.

Рисунок 2.16 - Модульно-комбинированная оросительная система 1 - сифон (или насосная станция); 2 - насос для единоразовой зарядки сифонного водосброса; 3 - магистральный трубопровод; 4 - отстойник; 5 - магистральный трубопровод I модуля (яруса); 6 - распределительный колодец (узел водораспределения); 7 - участок орошения

дождевальными машинами; 8 - многоопорная ДМ кругового действия; 9 - трубопроводы оросительной сети I модуля (яруса); 10 - магистральный трубопровод II модуля (яруса); 11 - узел водораспределения II модуля (яруса); 12 - блок водоподготовки II модуля (яруса); 13 - агрохимический узел; 14 - участок капельного орошения; 15 - узел водораспределения III модуля (яруса); 16 - блок водоподготовкиШ модуля (яруса);

17 - агрохимический узел III модуля (яруса);18 - участок внутрипочвенного орошения;

19 - межмодульный трубопровод Модульная система полива комбинированной сети состоит из магистрального трубопровода (3), который расположен на трех уровнях (1...Ш) и

содержит последовательно установленные узлы водораспределения (6) и (11) на модулях I и II уровней. Также в систему входят участок для орошения дождевальными машинами (7) и напорно-аккумулирующий трубопровод (5) на I уровне (в диапазоне горизонталей 110.. .140), а также трубопроводы (9) оросительной сети, предназначенные для модуля орошения дождевальными машинами III уровня.

Разработанное при участии автора «Устройство для капельного орошения древесных насаждений» (патент РФ № 2817068) обеспечивает повышение качества увлажнения плодовых насаждений за счет увеличения равномерности увлажнения прикорневой зоны, способствующей более эффективному питанию древесных насаждений (рис. 2.17).

Рисунок 2.17 - Устройство для КО по патенту РФ № 2817068:

2 - поливные трубопроводы, 4- шпалерные столбы, 6 - стволы яблонь,

9 -соединительный узел

Как следует из таблицы 2.1, разработанные технические решения способствуют сохранению водно-солевого баланса в зоне аэрации и предотвращению поднятия уровня грунтовых вод при проведении КО; обеспечению качественного полива участков сложной формы в пределах орошаемого массива.

Описанное техническое решение капельного поливного модуля рекомендуется к применению в капельно-орошаемых древесно-плодовых садах с культивированием многолетних растений без применения шпалер с относительно развитой естественной, но улучшаемой обрезкой кроны (преимущественно округлой формы) и рядовой посадкой культур по схемам их расположения в

насаждении - 4х2; 4х2,5; 5х3 м. Компоновочно-конструктивное решение капельного поливного модуля позволяет доводить необходимую площадь увлажнения многолетних древесных культур до нормативных уровней при выращивании древесно-плодовых растений в зонах с повышенным и высоким уровнем дефицита естественной увлажненности территории и на землях с невысоким уровнем природного плодородия, с почвенным покровом среднего и легкого гранулометрического состава [93].

Использование предложенных конструктивных решений для капельного полива яблоневых садов с 4 капельницами на одно дерево позволяет сформировать полосу увлажнения шириной, близкой к 2 метрам в пределах подкронового пространства, при этом площадь увлажнения одного дерева составит «40 % от площади его питания.

Выводы по главе

1. Получено эмпирическое обоснование компоновочных решений размещения поливных модулей КО древесных насаждений, возделываемых с применением индустриальных технологий сельскохозяйственных работ. Наиболее рациональная компоновка интенсивного сада должна выбираться в результате анализа альтернативных вариантов с учетом схем посадки насаждений и агрофизических характеристик почв на садовом участке.

2. Предлагаемый капельный поливной модуль рекомендуется к применению в капельно-орошаемых яблоневых садах с рядовой посадкой по схемам расположения насаждений 4х2; 4х2,5; 5х3 м.

3. В результате проведенных авторских патентных исследований в области капельного орошения садов были выявлены основные проблемы, требующие разработки новых технических решений. Разработанное при участии автора «Устройство для капельного орошения древесных насаждений» (патент РФ № 2817068) обеспечивает повышение качества увлажнения плодовых насаждений за счет увеличения равномерности увлажнения прикорневой зоны.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ НА РЕЖИМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВЫХ САДОВ

Водно-физические свойства почвы - это совокупность свойств, которые определяют накопление, сохранение и передвижение воды в почвенной толще.

Одна из них: водоудерживающая способность почвы - это свойство почвы удерживать влагу, противодействуя её стеканию под действием гравитации. Она определяется структурой (пористостью, агрегацией частиц) и содержанием органического вещества (например, гумуса).

Основные водно-физические характеристики почв представляют собой совокупность свойств, определяющих взаимодействие почвы с водой и её способность обеспечивать растения влагой. Важнейшим показателем является влажность почвы - количество воды, содержащееся в почве, которое выражается в процентах от её массы или объёма и служит ключевым показателем доступности влаги для растений. Влагоёмкость (водоудерживающая способность) отражает способность почвы удерживать воду после стекания избытка под действием гравитации. Различают полную влагоёмкость (максимальное насыщение), наименьшую (полевую) влагоёмкость (остаточная влага после дренажа) и капиллярную (удержание воды в порах за счёт капиллярных сил). Влагопроводность - скорость проникновения воды в почву - зависит от плотности сложения почвы.

Структура почвы непосредственно связана с пористостью - общим объёмом пор, которые делятся на капиллярные (удерживают воду) и некапиллярные (обеспечивают дренаж и аэрацию). Например, песчаные почвы обладают высокой пористостью, но из-за крупных пор быстро теряют влагу, тогда как глинистые, с преобладанием мелких пор, эффективно её сохраняют, но страдают от плохой аэрации.

Типичные значения водно-физических свойств почв исследуемых участков приведены в таблицах 4.5 - 4.7.

Для определения режима капельного орошения яблоневых садов можно использовать различные подходы, такие как эмпирические методы, основанные на опыте садоводов, или более сложные математические модели, учитывающие факторы окружающей среды, характеристики почвы и состояния растений.

3.1 Водопотребление яблонь по фазам развития при капельном орошении в условиях юга России

Для южных регионов с жарким климатом суммарное водопотребление яблонь составляет от 5000 до 6000 м3/га за вегетационный период [38]. Водопотребление яблони по фазам развития для юга России представлено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Водопотребление яблони по фазам развития

№ Фаза развития яблони Сроки и продолжительность, дней Водопотребление по фазам, %

1 Набухание почек и начало роста 40 (конец марта -начало мая) 5

2 Цветение и завязывание плодов 30 (май - начало июня) 20

3 Рост плодов и закладка урожая 90 (июнь - август) 50

4 Созревание плодов 40 (сентябрь - октябрь) 15

5 Период покоя ноябрь-март 10

Всего 200-210 дней (с конца марта до конца октября) 100

Продолжительность фаз вегетации яблони варьируется в зависимости от сорта, климатических условий, почв и региона выращивания. Для Ростовской области с её умеренно-континентальным климатом характерны следующие значения [30, 79, 88]:

В период покоя (осень - зима) дерево находится в состоянии покоя, происходит накопление питательных веществ для начала нового цикла вегетации.

Фаза набухания почек начинается, когда среднесуточная температура воздуха достигает +5.. .+7 °С.

В фазе распускания листьев (начало роста) активизируются процессы роста, начинается раскрытие почек и появление первых листьев. Длительность фазы набухания почек и начала роста составила 22 дня.

Цветение происходит при температуре +15...+20 °С. На этой стадии важно поддерживать достаточный уровень влажности почвы для формирования завязей.

Фаза завязывания и активного роста плодов дерево потребляет максимум воды и питательных веществ. Рост плодов зависит от качества опыления, погодных условий и уровня влаги. Длительность фазы цветения и завязывания плодов составила 12 дней.

Фаза созревания плоды накапливают сахар, изменяют окраску и становятся пригодными для сбора. У позднеспелых сортов (например, зимних) эта фаза может длиться до октября.

Фаза листопада (подготовка к покою) - дерево сбрасывает листья, завершает накопление питательных веществ в древесине и корневой системе.

Общий вегетационный период (от распускания почек до листопада) -200-220 дней (с конца марта до конца октября).

Для уточнённого определения водопотребления яблоневого сада рекомендуется учитывать эталонную испаряемость (ЕТо) и корректировать её с использованием коэффициента культуры (Кс), зависящего от стадии вегетации.

Суммарное водопотребление яблонь за период вегетации в наших ис-

-5

следованиях было принято 6000 м /га. Поливные нормы при КО для условий 50 % влагообеспеченности составили 120.200 литра воды на одно дерево в зависимости от водно-физических свойств почвы.

3.2 Математическое моделирование поливной нормы при капельном орошении на основе водно-физических параметров области увлажнения

3.2.1 Математическое моделирование поливных норм с учетом водно-физических процессов при капельном орошении

Известны следующие основные математические модели для описания процесса влагопереноса с учетом зависимости изменения величины влагопро-водности К(0):

1. Метод Ван Генухтена-Мюалема:

\ т1 ^ 1 - 31/т)

(3.1)

где К(в) - ненасыщенная гидравлическая проводимость (м/с), К - насыщенная гидравлическая проводимость (м/с), Se - эффективная степень насыщения, определяется как:

_ 9—9г

р —

—д-р

(3.2)

где От - остаточная объемная влажность почвы (м3/м3), вs - насыщенная объемная влажность почвы или пористость (м3/м3), т и п - эмпирические параметры, связанные как т = 1 - 1/п, I - параметр формы поровой структуры, часто принимается равным 0,5.

2. Экспоненциальная модель Кэмпбелла:

(3.3)

где Ь - показатель, связанный с распределением размеров пор в почве; От - минимальное количество воды (остаточная влажность), которое почва может удерживать и которое практически недоступно для растений; 0s - максимальная объемная влажность почвы (насыщенная влажность), соответствующая полной насыщенности пор водой; К - максимальное значение коэффициента влагопроводности при полном насыщении почвы (насыщенная гидравлическая

проводимость); Ь - эмпирический параметр, определяемый экспериментально для конкретной почвы.

График зависимости К(0) отражает сложное взаимодействие между водным содержанием почвы и ее способностью проводить воду. Понимание этой зависимости важно для моделирования процессов инфильтрации, дренажа и водного режима растений. Используя приведенные математические модели, можно количественно описать эту зависимость для конкретных типов почв и условий.

Значения К (0) для примерного расчета влагопереноса:

• При 0 = 0г, К (0) может быть порядка 10-10 м/с.

• При 0 = 0.5х(0г+ 0,,), К (0) может достигать 10- м/с.

• При 0 = 0^ К (0)=К^ например, 10-5 м/с.

Зависимость коэффициента влагопроводности почвы от объемной влажности (рис. 3.1) показывает, что песчаные почвы имеют высокое значение К и более крутой рост К(0) при низких 0. График поднимается быстрее, отражая высокую влагопроводность даже при меньшей влажности. Для глинистых почв характерно низкое значение К и плавное увеличение К(0).

График на рисунке 3.1 показывает, что с увеличением объемной влажности 0 коэффициент влагопроводности увеличивается, причем песчаные почвы обладают более высокой влагопроводностью при тех же уровнях влажности по сравнению с тяжелосуглинистыми почвами. График построен в логарифмической шкале для оси абсцисс, что позволяет нагляднее видеть различия между типами почв при различных уровнях влажности.

Зависимость коэффициента влагопроводности К(8) от объемной влажности 6 10"4 т-

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Объемная влажность 9 (м^м1)

Рисунок 3.1 - Зависимость коэффициента влагопроводности К(0) от объемной влажности 0 для трёх типов почв: среднесуглинистой, тяжелосуглинистой и

песчаной

По экспериментальным данным исследуемых почв были получены зависимости наиболее важной агрофизической характеристики, наименьшей влаго-емкости от глубины (рис. 3.2).

За основу моделирования поливной нормы принималась формула А.Н. Костякова, учитывающая приращение объема влаги в расчётном слое почвы. Подход А.Н. Костякова используется при равномерном орошении сельскохозяйственных культур, обеспечиваемом, например, дождеванием. При капельном орошении водный режим почвы и растений определяется за счет множества локальных зон увлажнения, поля влажности которых формируются сложными водно-физическими процессами. Динамика этих агрофизических процессов определяется структурой и агрофизическими свойствами почвы под действием гравитационных и капиллярных сил в условиях переменной влажности в ненасыщенных слоях почвы по зависимостям (3.1-3.3).

■ Тяжелосуглинистый чернозём

• Среднесуглинистый чернозем

А Глинистые

-Полиномиальная

(Тяжелосуглинистый чернозём)

.....Полиномиальная

(Среднесуглинистый чернозем)

-Полиномиальная (Глинистые)

Глубина, м

Рисунок 3.2 - Зависимость наименьшей влагоёмкости от глубины исследованных почв

В связи с этим, выдвинута рабочая гипотеза, предполагающая, что при моделировании области увлажнения, справедлива предпосылка о возможности математического описания пространственной области, представляющей собой тело вращения. Образующая упомянутого тела вращения может быть описана регрессионной зависимостью, получаемой экспериментально. Геометрические параметры образующей определяются водно-физическими характеристиками почвы, гидравлическим расходом капельницы, а также физико-химическими свойствами оросительной воды при поливе.

Следовательно, основным допущением построения предлагаемой математической модели является то, что область увлажнения при капельном орошении представляет собой тело вращения, параметры которого определяются агрофизическими характеристиками почвы.

у = -18,182х3 + 25,141х2 - 13,709х + 31,979

у = 7,803х2 - 16,329х + 27,097 Р? = 0,9927

15 Н—

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Используя полученные экспериментально значения локальных контуров увлажнения и, соответственно, объемов области увлажнения, можно получить поливные нормы, учитывающие свойства почв и особенности схем посадки (3.4):

т = 0.01 • ^кон (Жив - ^пп)/^уч. (3.4)

-5

где т - поливная норма, м /га;

-5

^кон - объемов области увлажнения, м ;

п^ - количество капельниц на одно дерево;

п^ - количество деревьев на проектированном участке сада (клетке);

яуч - площадь участка (клетки), га;

(ЖНВ — ^пп) * 0,01 - значение дефицита воды в % МСП, переведенные в долях единиц.

Таким образом, дальнейшее моделирование поливной нормы (3.4) основано на определении объема насыщенной зоны области увлажнения, формируемой непосредственно под капельницей.

3.2.2 Определение объема области увлажнения на основе моделирования её конфигурации

Для определения объема области увлажнения под единичной капельницей использовалась известная зависимость объема тела вращения, учитывающая аналитическое описание образующей его линии:

^кон = (3.5)

-5

где &>кон - объемов области увлажнения, м ; И - глубина увлажнения, м;

/(И) - уравнение зависимости радиуса границы области увлажнения от глубины.

При разработке методики прогнозирования геометрии контуров принята приведенная на рисунке 3.3 расчетная схема профиля контура влажности [98].

Рисунок 3.3 - Расчетная схема к определению объёма области увлажнения:

1 - капельница; 2 - ограничивающая профиль изоплета; 3 - ось контура; 4 - поверхность земли; Ь1-10 - заглубленности расчетных слоев контура; (гкон)^ - (гкон)^ - радиусы контуров в расчетных сечениях; 1 - 10 - номера условно принимаемых сечений контура

В качестве образующей линии /(.к) принималась аппроксимация совокупности точек, лежащих на границе контура области увлажнения.

С учетом анализа исследуемой конфигураций поля влажности можно описать в виде частичного степенного ряда порядка Ы, от глубины к:

КЮ= а0 + 1^=1апкп, (3.6)

где ап - параметры степенного ряда, зависящие от водно-физических свойств почвы.

Для получения более общих результатов моделирования удобно перейти к безразмерному представлению параметров конфигурации границы поля влажности, введя обозначения для нормированной глубины Ь^:

"конД 7 /"о

"кон

где йконд - значение глубины на горизонте ¡, м;

I - расчетный номер горизонта;

йкон - глубина области увлажнения, м.

В выражении (3.7) для получения более общих результатов целесообразно перейти к безразмерным значениям радиусов границы области увлажнения, введя переменную:

^ = (Гкон)ь,, (3.8)

'кон

(Гкон)ы = + К • К + ^ • Ь22 + • Ьз3 + - = • Ьпп, (3.9)

где кп - параметры степенного ряда, полученные экспериментально в зависимости от водно-физических свойств почвы.

Тогда зависимость объёма области увлажнения принимает вид:

^кон = п /01(Гкон)Ь;] (3.10)

Для оценки параметров кп математической формулы (3.10) принимались рекомендации [104] по описанию их эмпирической зависимости от агрофизических характеристик почв и расхода капельниц:

^0=/о(^г/^нв); (3.11)

*1=Л(И£/^нв) (3.12)

^2=/2(^г/^нв) (3.13)

Кроме того, при моделировании конфигурации области увлажнения следует учитывать граничное условие:

(Гкон)ьо =*0, (3.14)

где также является некоторой функцией от (Иг/И^в), подлежащей экспериментальному определению.

Следовательно, использование предложенной методики определения поливной нормы (3.4) требует проведения экспериментальных исследований по определению зависимости параметров (3.10) - (3.13) от агрофизических свойств почв конкретных участков возделывания яблоневых садов.

Таким образом, объединение в настоящем исследовании перечисленных выше теоретических предположений и эмпирически определяемой совокупности агрофизических параметров позволило более глубоко выявить взаимодействие между ними и оценить влияние на эффективность систем капельного орошения, что имеет важное значение для проектирования систем орошения.

3.2.3 Определение объема области увлажнения методом интегрирования

аппроксимирующей зависимости

В выражении (3.8) для получения более общих результатов целесообразно интегрировать безразмерную зависимость радиусов границы области увлажнения:

(Гкон)ь, = Е?^п-Ьпп, (3.15)

где абсолютное значение радиуса контура увлажнения ?"кон^. записывается из

^кон,й i ^кон (^кон)Ь[ .

Тогда искомый объем определяется:

^кон = П • Гк?,н/01кон[^с + fci • ъ + • ъ2 + • Ь3 + (3.16)

Формула (3.15) позволяет аналитически определять области увлажнения при капельном орошении по известному значению подынтегральной функции, вид которой зависит от почв и параметров полива. В частности, для полиномиальной зависимости седьмого порядка, параметры которой приведены в [45], зависимость (3.15) принимает вид:

^"^кон

[&2 + fc? • ъ2 + k2 • ъ4 + fcf • ъ6 + ki • ъ10 + к2 • ъ14 +

о

+2 • ( к0к1ъ — к0к2ъ2 + к0к3ъ3 — к0к4ъ5 — к0к5ъ7 — к1к2ъ3 + к1к3ъ4

- к1к4ъ6 — к1к5ъ8 — к2к3ъ5 + к2к4ъ7 + к2к5ъ9

— к3к4ъ8 — к3к5ъ10 + к4к5ъ12] йъ

= w Гк^н •[к2ъ + к2^ + к|^ + к2^ + к42^ + к2^ + 2(к0к1^ —

ь3 ь4 ьб ь8 ь4 ь5 ь7

к0к2 Y + + к0к3" к0к4^ k0k5^ k1k2 ~ + k1k3 k1k4 — ь9 ьб ь8 ь10 ь9 ь11

k-i кг к 9 к^ + +кт кл + k?kc к9 к л koke +

1 5 9 236 2 4 g 25 10 2 4 9 35 11

+^4^5 —)]1оКОН _ ^кон^кон ' [к20 +^0^1 ^кон + 1 ' (^1 ' ^2) ' Якон + 1 •

(к0кз - • ^3он + 1 • (^2 + • ^4он - 1 • (^4 + • ¿Юн + 1 •

(^2 - • ^он + 1 ^ - • Я^н - 2 • (^5 + ^зМ • ^он + 1 •

(3.17)

Пример визуализации компьютерной модели пространственной области увлажнения для южных черноземов представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Компьютерное моделирование пространственной области увлажнения для южных черноземов

Таким образом, полученная аналитическая зависимость (3.17) позволяет определять объем области увлажнения при капельном орошении по известным значениям безразмерных параметров границы области увлажнения.

Следует отметить, что экспериментальное поле влажности при капельном орошении характеризуется существенной неравномерностью (рис. 3.5), что подтверждается, например, исследованиями Шкуры В.Н.

О

40 30 20 10 0 10 20 30 40/?, см

70 И, см

40

20

50

30

60

10

\

/

\

/

\

/

ч

-65-

Рисунок 3.5 - Конфигурация поля влажности почвы в контурах увлажнения

Для определения объема воды в ненасыщенной почве можно использовать положения теории поля. Эти положения утверждают, что объем вещества определяется через плотность этого вещества в малой области и тройной интеграл по объему этой области. Учитывая сложность аналитического определения влажности в каждой отдельной точке, для вычисления этого интеграла целесообразно применять численный метод. Его суть заключается в том, чтобы разбить область на несколько зон, принимая внутри каждой из них влажность постоянной. Таким образом, общий объем будет определяться суммированием объемов влаги, определённых по всем выделенным зонам.

В качестве инженерной методики определения полного объёма влаги предлагается численный метод, использующий разделение всей области на три части, или зоны. Первая зона - это внутренняя (насыщенная) область, где влажность достигает наименьшей влагоемкости почвы. Границы внутренних областей располагаются на равных расстояниях от обеих описанных границ.

[96]

Граница внешней области может совпадать с условной границей предпо-ливной влажности, в то время как границы внутренних областей будут располагаться на равных расстояниях между крайними поверхностями, ограничивающими их зоны.

Для определения объема вещества, заданного функцией плотности Д(г, z) в цилиндрических координатах, где тело ограничено поверхностью вращения, можно использовать тройной интеграл. Объем V тела вращения может быть найден с помощью следующей формулы:

У = /оЧй(гЧ2,Гг<ШгЙ2 (318)

где h - высота тела, вдоль которой проводится интегрирование по z;

Я(2) - радиус образующей на глубине z, который задается аналитической функцией F(r, z) , т.е. R(z) = F(r, z) , 3 - угол, используемый для перехода от прямоугольной к цилиндрической системе координат; т - радиус в цилиндрических координатах; dz - элемент угла.

Для определения общего объема тела вращения, которое создается при вращении кривой, описываемой функцией F(r, z) , вокруг вертикальной оси, можно использовать стандартную формулу для объема тела вращения. Эта формула основана на методе дисков или цилиндров, где объем может быть вычислен через интегрирование по переменной 2.

Таким образом, объем V тела вращения может быть также выражен через:

к =/^(ад^)]2^, (3.19)

где ¥(Я(2), 2) - это расстояние от оси вращения до границы контура в каждом сечении 2.

Необходимо также учитывать функцию плотности Дт, 2) для вычисления общей массы вещества M, которое распределено по этому объему, можно преобразовать выражение для массы в следующее:

М = f1 ^F(r,z) f(r, z) • 2 nrdrdz. (3.20)

Для определения массы сначала интегрируем по радиусу г, затем учитываем плотность f(r, z). В этом выражении 2пг представляет собой окружность слоя на высоте z, а dz - изменение высоты по оси z.

Наличие функции плотности позволяет учитывать неравномерность этой плотности в разных точках поля.

Введём коэффициент неоднородности поля влажности кнр, равный отношению полного объёма влажности в пределах моделируемой зоны увлажнения для неоднородного поля, к объему влаги внутри ядра (3.21):

кнр ю кон/ юядра, (3.21)

о

где ю кон - объём области увлажнения, м ;

-5

юядра - объём ядра (насыщенной зоны) области увлажнения, м .

Тогда искомый объем поливной воды с учетом неравномерности распределения поля влажности по глубине определяется по зависимости:

ю кон кнр юядра. (3.22)

Общий интеграл можно записать в удобной для работы форме, используя цилиндрическую систему координат [36]. Таким образом, суммарный объем влаги, чтобы обеспечить близкое к реальному распределение поля влажности определяется как произведение влаги во внутренней области ядра на коэффициент кнр, который можно назвать коэффициентом объема.

Проведенные расчеты с применением методов математической теории векторного поля показывают, что для исследованных конфигураций областей увлажнения при капельном орошении значение этого коэффициента колеблется в пределах 1.1...1.3. Этот диапазон следует учитывать в общей методике определения поливных норм.

Следует отметить, что при расчете режимов орошения в разделе 5 для яблоневых садов среднего возраста, когда корневая система еще не достигла максимального развития, ранее введенные коэффициенты объема можно использовать в пределах от 1.0 до 1.1. Это позволит более точно оценить водообеспе-ченность яблонь и повысить эффективность орошения. Дальнейшие расчеты были выполнены с учетом вышеуказанных рекомендаций.

Вывод по главе

1. Определены исходные агробиологические характеристики и водо-потребление яблоневых садов по фазам развития как объекта экспериментального исследования.

2. Систематизированы математические модели области увлажнения, параметры которых можно получать методами компьютерного моделирования экспериментальных данных, для определения границ контуров увлажнения и объема поливных норм.

3. Обоснована необходимость разработки интегральной методики расчёта поливных норм при капельном орошении, учитывающей предложенные компоновочно-конструктивные решения, аппроксимацию экспериментально получаемых координат границы насыщенной зоны увлажнения и её объем, а также гранулометрический состав и агрофизические характеристики для сред-несуглинистых, тяжелосуглинистых и глинистых южных черноземов.

4. Разработана математическая модель для определения поливной нормы единичной капельницы, содержащая следующие типы уравнения:

- Модифицированное базовое уравнение формулы А.Н. Костякова, отличающееся введением объема зоны увлажнения под капельницей (3.4).

- Определение объема зоны увлажнения, моделируемой телом вращения с криволинейной образующей, вид которой определяется по экспериментальным данным.

- Эмпирическое уравнение границы насыщенной зоны увлажнения, в виде частичной суммы степенного ряда, являющейся образующей моделируемой зоны как тела вращения (3.17).

- Экспериментально определяемые математические зависимости для определения параметров уравнения границы насыщенной зоны увлажнения от таких водно-физических характеристик почв, как содержание физической глины и наименьшей влагоемкости вида.

5. Предложен методический подход для учета объема воды в ненасыщенной зоне поля влажности, реализуемый посредством введения коэффициента неравномерности влажности (3.21).

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ЯБЛОНЕВОГО САДА

Конфигурация контуров при КО почвы все ещё остается одной из актуальных задач научного обоснования оросительных систем. Подходы к решению этой проблемы изложены в результатах исследований Ахмедова А. Д. [2], Га-лиуллиной Е. Ю. [16], Бочарникова В. С. [9], Храброва М. Ю. [89], Мелиховой Е. В. [53], Ясониди О. Е. [112], Шкуры В. Н. [92, 96] и других ученых.

Экспериментально-методическую основу исследования составили опубликованные результаты многолетних работ, проводимых во ВНИИГиМ, Рос-НИИПМ, НИМИ [18, 31, 45, 47, 84, 92, 96, 98, 89, 106, 112], также Волгоградского и Саратовского ГАУ [2, 5, 16, 68] и др. В то же время для уточнения параметров режимов капельного орошения яблоневых садов потребовалось проведение экспериментальных исследований, включая лабораторные и полевые опыты.

4.1 Общая методика проведения экспериментальных исследований

В данном подразделе рассмотрены методологические вопросы проведения экспериментальных агрофизических исследований для различных типов почв при капельном орошении.

4.1.1 Описание объекта капельного орошения

Объектом исследования явились оросительная система, используемая для капельного орошения яблоневых садов с рядовой посадкой яблонь сорта «Ай-даред» в степной зоне на южных среднемощных среднесуглинистых черноземов.

Сорт яблони «Айдаред» был выведен в 1935 году и широко распространен в южных регионах России. Относящийся к зимним или позднезимним сортам «Айдаред» характеризуется поздним созреванием плодов - в первой половине октября. Плоды устойчиво держатся на ветвях до морозов и сохраняются до апреля даже в простых условиях хранения.

Дерево достигает 6 м в высоту, имеет округлую крону, мощные ветви под углом 45° к стволу, гладкую серо-коричневую кору и темно-зеленые, гу-стоопушенные снизу листья. Цветение начинается на третий год жизни, цветки розовые, собранные в щитовидные соцветия.

Плоды крупные, плоскоокруглые, с тонкой кожицей, покрытой восковым налетом. Основной цвет светло-зеленый с интенсивным малиновым или темно-карминовым румянцем, покрывающим практически весь плод.

Сорт ценится за неприхотливость, высокую урожайность, длительную лежкость и хорошую транспортабельность. Он также служит отличным опылителем, способным повысить урожайность других сортов яблонь на 1020 %.

Корневая система яблони позднего срока созревания имеет следующие характеристики.

Основная часть корней располагается на глубине 50-80 см от поверхности. Однако скелетные корни могут проникать на глубину до 3-4 м в благоприятных условиях.

Горизонтальные корни разветвляются на расстояние до 6-8 м, что обеспечивает дерево доступом к большому объему почвы для получения воды и питательных веществ.

Корневая система яблони сочетает скелетные (основные) и мочковатые (обрастающие) корни. Основные корни толстые и длинные, формируются на протяжении 15-20 лет. Мочковатые корни растут быстрее и ответственны за всасывание влаги и питательных веществ.

Корневая система имеет две фазы активного роста: весной (с началом сокодвижения) и осенью (после завершения листопада).

Оптимальные температуры для роста корней составляют +7...+20 °С. Плодородие, влажность и доступ кислорода в почве являются ключевыми факторами.

Рисунок 4.1 - Капельное орошение яблоневых насаждений

Дополнительно стоит отметить, что корневая система яблонь позднего срока созревания, как правило, более развитая по сравнению с ранними сортами, что связано с более продолжительным периодом вегетации. Такая система имеет следующие дополнительные особенности.

В зависимости от типа почвы, корневая система может быть как глубоко залегающей (в песчаных или хорошо дренированных почвах), так и поверхностной (в тяжёлых или заболоченных почвах). Это позволяет яблоням эффективно адаптироваться к различным агроклиматическим условиям.

Корневая система зависит от типа используемого подвоя (сильнорослый, среднерослый или карликовый). У сильнорослых подвоев корни глубокие и разветвлённые, тогда как у карликовых подвоев они компактные, что позволяет выращивать дерево в условиях ограниченного пространства.

Активная зона всасывания воды и питательных веществ расположена на концах корней, где находятся корневые волоски. Они обеспечивают растение минералами, особенно азотом, фосфором и калием, необходимыми для развития плодов.

Эти особенности корневой системы яблонь позднего срока созревания обеспечивают их устойчивость к засухе, способность к интенсивному плодоношению и долгую жизнеспособность в садовых условиях.

Для исследования режимов капельного орошения южных черноземов был разработан общий план проведения исследования (табл. 4.1).

Таблица 4.1 - План проведения экспериментов

Схема посадки, м Тип почвы

среднесуглинистые суглинистые глинистые

4х2 + + +

4х2,5 + + +

5х3 + + +

Расчет параметров режима орошения яблоневых садов при капельном орошении для различных типов почв представлен ниже.

4.2 Общие подходы к проектированию режима орошения яблоневых садов при капельном орошении для различных типов почв

Учитывая имеющиеся данные исследований и задачу проведения экспериментальных исследований по определению геометрических и агрофизических параметров почв, определяющие локальные контуры влажности, был осуществлён выбор опытных площадок. По имеющимся почвенным картам выбирались опытные участки с типичными характеристиками почвенного покрова, в качестве которых рассматривались гранулометрический состав и наименьшая влагоёмкость. В результате анализа почвенных и технологических условий проведения полевых измерений и капельного полива, к исследованиям были выбраны три базовые экспериментальные площадки (объект экспериментальных исследований) на землях агрохозяйств: «Ключевое», «Персиановское» и «Дон-лесхоз».

Влажность почвы (почвенных проб) устанавливалась: термостатно-весовым методом (сушкой почвенных проб и их взвешиванием (боксов с почвой) до и после высушивания), а в полевых условиях - тарированием с использованием термостатно-весового способа влагомера фирмы Decagon Devices, позволяющего определить объёмное содержание влаги в почвенных образцах в

широком диапазоне его измерений (от 0 до 100 мл) с погрешностью составляющей ± 3,4 %. Датчик соединялся с регистратором сигналов, подключенным к ноутбуку, с программным обеспечением - ECH20 Utility, разработанным фирмой-изготовителем влагомера.

По данным определений влажности почвы в точках отбора почвенных проб, по каждому опытному каплеванию, осуществлялось построение матриц влажности в абсолютных и относительных показателях, являющихся основой для построения влажностных изоплет - профилей локальных контуров капельного увлажнения почвенной толщи (почвенного пространства).

Экспериментальную базу для получения значений (гкон)й. / гкон и йкон, ¿/йкон и математического описания контурной изоплеты составили опытные очертания десяти контуров влажности, полученные в полевых условиях на экспериментальных площадках с различными сочетаниями и диапазонами средних в пределах метрового слоя почвы значений почвенных характеристик составляющих: (Жг)1,о = (29,0-71,1) % МСП; (Wm)i,o = (20,0-31,0) % МСП; (^ )i,o =

(0,8-2,4) % и (7об)1,0 = (1,29-1,64) т/м3, при соотношениях (Wr)1,0/(^HB)1,0 изменяющихся в диапазоне от 1,45 до 2,57.

Содержимое физической глины (W^ является значимым показателем, так как оно определяет способность почвы удерживать влагу и влияет на ее влаго-перенос. Наименьшая влагоемкость (WHB) служит индикатором уровня влаги в почвенном слое после стекания в нем гравитационной влаги. Плотность сложения (уоб) характеризуем механические свойства почвы, таких как гранулометрический состав и влагопроницаемость, что непосредственно сказывается на эффективности орошения. Степень гумусификации ^гум) отражает содержание органических веществ в почве, что критически важно для обеспечения плодородия и биологической активности почвы. Характеристики почв исследованных экспериментальных площадок яблоневых садов представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Почвенные характеристики экспериментальных площадок

Экспериментальная площадка Тип почвы по гранулометрии Почвенные характеристики

Ж , % мсп Ж " НВ ' % мсп /об , т/м3 ^гум , %

«ДОНЛЕСХОЗ» Среднесуглинистый южный чернозём 36,9 15,1 1,30 1,8

«ПЕРСИАНОВСКАЯ» Тяжёлосуглинистый южный чернозём 53,5 21,2 1,48 2,8

«КЛЮЧЕВОЕ» Глинистый южный чернозём 69,6 27,1 1,59 3,2

Были построены профили контуров влажности почвы в метровом слое (рисунок 4.2), где: гл700 - гл709 - левосторонние радиусы контуров влажности на глубинах =0,0-0,9м; гпр70 0 - гпр70 9 - правосторонние радиусы контуров

влажности на глубинах =0,0-0,9 м; ^кон - глубина увлажняемой зоны (контура влажности) в процессе камеральной обработки опытного материала [41, 47].

Рисунок 4.2 - Профили капельного увлажнения почвы: а) - среднесуглинистый южный чернозем; б) тяжелосуглинистый южный чернозем

Статистическая обработка данных опытных участков черноземных почв (таблица 4.3) показала, что значение №НВ, усредненное по метровому слою, равно 26, 65 % МСП при среднеквадратическом отклонении (СКО) 3.6 % МСП.

Таблица 4.3 - Гранулометрические характеристики черноземов южных

Статистический показатель Наименьшая влагоем-кость, % МСП Плотность сложения, т/м3

Количество данных (count) 10.00 10.00

Среднее значение (mean) 26.65 1.33

Стандартное отклонение (std) 3.60 0.04

Минимальное значение (min) 20.00 1.29

Квантили распределения 25 % 26.03 1.30

Квантили распределения 50 % 26.95 1.32

Квантили распределения 75 % 29.60 1.37

Максимальное значение (max) 30.30 1.40

Агрофизические характеристики почв опытных участков садов в метровом слое представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Агрофизические характеристики исследуемых почв

Тип почв W г , % МСП W НВ , % МСП 1 об , т/м g гум , %

Среднесуглинистый южный чернозем 36,9 21,1 1,38 1,8

Тяжелосуглинистый южный чернозем 53,5 27,0 1,30 2,8

Глинистый чернозем 69,6 27,1 1,32 3,2

Для всех экспериментальных участков устанавливались значения радиусов (гкон) и глубин (Ькон) границ контуров увлажнения, средние значения которых для разных глубин почвенных слоев, (гкон. Последние вычислялись, как среднее между левосторонними и правосторонними значениями:

^ = О-5 • (гл д + гПр/к1) (4.1).

4.3 Методика исследования конфигураций локальных контуров влажности с учетом водно-физических характеристик почв

Нарушение агромелиоративных требований, таких как чрезмерный полив, уплотнение почвы или дефицит питательных веществ, могут привести к

замедлению роста корней и снижению урожайности. Формирование корневой системы определяется геометрией локальных контуров увлажнения, образуемых в процессе локального капельного увлажнения.

Методология проведения научного изучения геометрии локальных контуров влажности объединяет более 10-и различных методик постановки полевых (натурных), лабораторных, камеральных и аналитических исследований.

До начала капельного полива были определены гранулометрический состав и водно-физические характеристики почв в пределах метрового почвенного слоя с отбором проб буром через каждые 10 см по глубине с использованием общепринятых методик. Пробы отбирались по трём буровым скважинам, располагаемым в пределах опытной площадки 10 х 10 м. Оценка гранулометрии (содержания в почве физической глины - V, % МСП) осуществлялась отбором проб по методике А. Н. Качинского с последующим лабораторным анализом. Показатели наименьшей влагоемкости почвы (, % МСП) по метровому почвенному профилю устанавливались методом заливки опытной площадки 1,0х1,0 м, с последующим отбором почвенных проб и лабораторным определением их влажности термостатно-весовым способом (по методике О. Е. Ясониди

-5

[112]). Плотность сложения почвы (/об, т/м ) определялась методом режущего кольца [22], а содержание гумуса в слоях почвенного профиля (дгум, %) по методу И. В. Тюрина (ГОСТ 26213-91. Почвы методы определения органического вещества).

В результате анализа гранулометрического состава и показателей наименьшей влагоемкости метрового почвенного слоя и в соответствии с классификациями, приведенными в [7], определены типы почв на исследованных площадках. Данные, определённые по трём буровым скважинам, приведены в таблицах 4.5-4.7.

Таблица 4.5 - Данные по почвенным показателям площадки «Донлесхоз»

Слой почвы, к., см 5 1 5 Значения почвенных характеристик

о т/м Ж, % мсп г 5 Жв, % мсп 4гум , %

0-10 1,21 35,2 26,8 4,0

10-20 1,27 36,0 26,0 3,6

20-30 1,34 37,7 25,3 3,0

30-40 1,38 38,6 24,4 2,5

40-50 1,39 39,8 24,0 2,0

50-60 1,41 41,8 23,6 1,6

60-70 1,41 43,7 22,4 1,1

70-80 1,44 46,8 21,9 0,6

80-90 1,47 47,7 21,6 -

90-100 1,48 48,6 1,4 -

Среднее 1,28 36,9 21,1 1,8

Для установленных почвенных показателей по всем площадкам с использованием авторской методики [53] определялись значения поливной нормы из расчёта объема воды на один(ну) капельный микроводовыпуск (капельницу) для глубин увлажняемого слоя 0,6; 0,8 и 1,0 м.

Таблица 4.6 - Данные по почвенным показателям площадки «Персиановская»

Слой почвы, к , 1 г 1 см Значения почвенных показателей

7об, т/м Ж, % мсп ЖНВ, % мсп 07ум, %

0-10 1,20 51,2 30,8 5,6

10-20 1,22 51,8 29,4 5,0

20-30 1,24 52,4 28,6 4,4

30-40 1,25 53,0 28,2 3,8

40-50 1,27 53,5 27,9 3,2

50-60 1,31 54,1 26,8 2,2

60-70 1,32 54,9 25,4 2,0

70-80 1,34 56,7 25,0 1,4

80-90 1,38 57,0 24,7 0,7

90-100 1,42 58,3 24,3 -

Среднее 1,30 53,5 27,0 2,8

Проведению капельного полива предшествовали измерения дополивного уровня влажности почвы отбором почвенных проб и определения влажности почвы протарированным влагомером и (или) термостатно-весовым способом

ГОСТ 28268-89 [22], замеряемые в текущие сутки проведения капельного полива.

Таблица 4.7 - Данные по почвенным характеристикам площадки «Ключевое»

Слой почвы, к., 1 г 1 см Значения почвенных параметров

о т/м Щ, % мсп , % мсп Чгум, %

0-10 1,19 62,6 25,8 5,8

10-20 1,23 63,4 24,6 5,4

20-30 1,25 64,8 23,5 4,8

30-40 1,24 65,8 32,8 3,6

40-50 1,26 66,9 31,6 3,2

50-60 1,26 67,8 30,4 2,4

60-70 1,28 68,7 28,8 2,0

70-80 1,32 69,8 27,7 1,8

80-90 1,36 70,0 27,4 1,6

90-100 1,40 70,2 27,4 1,2

Среднее 1,28 69,6 27,1 3,2

Поливы проводились на иссушенной почве с предполивной влажностью Рт = (60 ± 5) % . Производительность капельниц составляла = 2,0 ± 0,1

л/ч. Выдача поливной нормы определялась по продолжительности периода во-доподачи с контролем расхода капельного микроводовыпуска до начала и после завершения полива. Проверка расходной характеристики капельницы осуществлялась объёмным методом с использованием протарированной ёмкости и секундомера.

Отбор проб осуществлялся по квадратной сетке с размером сторон (по глубине в плане) 10 х 10 см (преимущественно) или 15 х 15 см (реже).

На каждой из площадок опыты по исследованию контуров влажности проводились в трехкратной повторности, т.е. фиксировались три контура на каждой опытной площадке.

Для определения увлажняемых(ого) при капельном поливе зон (почвенного пространства) посредством почвенного бура пробуривалась система скважин по сетке, проиллюстрированной на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Горизонтальная (а) и вертикальная (б) схемы забора

почвенных проб:

1 - скважины; 2 - замерные радиали; 3 - замерные вертикали; 4 - точки отбора почвенных проб

Замеры влажности почвы производились на площадке «Ключевое» через 28-30 часов после завершения полива; на площадке «Персиановская» при =

(26^28) часов (- время после проведения полива, ч); на площадке «Дон-

лесхоз» через 23-25 часов после полива, что было связано с данными по гранулометрическому составу почв опытных площадок.

ЗЛГ5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 Рекомендуемые значения яблоневых растений

Рисунок 4.4 - Сравнение рекомендуемых и расчетных величин междурядных расстояний между яблонями

На рисунке 4.4 представлены данные по садам следующих авторов: • - авторские, □ - орошаемые (Куренной Н. М.); ■ - неорошаемые (Куренной Н. М.); ▲ - неорошаемые (Гегечкори Б. С.); + - по Трунову Ю. В.; х - по Кривко Н. П.; — по Потапову В. А.; А - орошаемые сады (Гегечкори Б. С.).

Графические образы профилей контуров, очерченные границ поля влажности, рассматривались в качестве базового опытного материала для анализа и синтеза. При анализе и обобщении данных по геометрии контуров влажности использовались методики, приведенные в [12].

В качестве определяющего фактора для выбора мест проведения полевых исследований были приняты почвенные характеристики [96].

Капельный полив осуществляется подачей воды в капельницу из трубки, подсоединённой к заполненной водой ёмкости, установленной на возвышающейся над поверхностью земли платформе.

Проведенная с участием автора [85] статическая обработка полученных значений параметров ширины междурядий Бм/р и длины ряда Ьр, позволила установить их взаимосвязь, описываемую формулой (4.2):

Ям/р = Ьр ± 2,55 (4.2)

Результат обработки данных методом линейной аппроксимации (4.2) приведены на рисунке 4.4 в виде соотношения (5м/р)рас ^ (^м/р)рек, где (Вм/р) рас - расчетные значения ширины междурядий по зависимости (3.1), а (Вм/р)рек - рекомендуемые значения £м/ приведенные в [12, 45, 85, 104, 112].

4.4 Результаты экспериментальных исследований области увлажнения при

капельном орошении

В процессе капельного полива в подкапельном почвенном пространстве формируется массив увлажненной почвы характерного для данной технологии орошения очертания, определяемый как контур капельного увлажнения. Область (зона) искусственного увлажненного пространства характеризуется опре-

деленной формой, геометрическими размерами и влажностными показателями [Ошибка! Источник ссылки не найден., 2, 12, 73].

В реальных почвенных и технологических условиях капельного полива внешний контур капельно увлажняемого массива почвогрунтовой толщи ограничивается (оконтуривается) граничной изоплетной линией сложного поликриволинейного вида. Для качественно-количественного описания положения оконтуривающей изоплеты и практического применения геометрических параметров контура указанная оконтуривающая линия аппроксимируется до более простых форм [12, 13].

Рисунок 4.5 - Выращивание яблонь на КО

Согласно рекомендациям [72, 73], наиболее точно математически описать аппроксимированные очертание контуров капельного увлажнения почвы представляется возможным при использовании их относительных высотных и плановых параметров функциональной зависимостью вида -

Окон)к /гкон = /(ккон/ккон) , где Гкон и ккон - радиус и глубина контура; кКон, - заглуб-

ленность (глубина расположения) сечения контура горизонтальной плоскостью по поверхность земли измеряющаяся в пределах от 0 до ккон; (гкон)к - радиус

ограничивающей контур влажностной линии изоплеты на глубине к . [45].

Установление математической зависимости, описывающей указанную функциональную связь, представлено ниже в разделе 5.

На рисунке 4.6а представлена конфигурация границы насыщенной области увлажнения для среднесуглинистых южных черноземов со средними значениями показателей по метровому слою почвы: Жг=36,9 % МСП; Жнв=21Д % МСП; 7об=1,30 т/м3; дгум=1,10 %;

а)

б)