Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Фильтрация воды на рисовом поле 8
1.1.1. Фильтрация как составная часть водного баланса рисового чека 8
1.1.2. Динамика и распределение фильтрации по площади чека 9
1.2. Рассоляющее действие фильтрации 10
1.3. Конвективный перенос тепла в почве 15
1.4. Требования растений риса к водно-солевому и тепловому режимам почв 17
1.5. Дренаж на рисовой оросительной системе 22
1.5.1. Влияние дренированности на урожайность риса 22
1.5.2. Виды дренажа на рисовой оросительной системе 26
2. Методика экспериментальных исследований 32
2.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 32
2.2. Методика лизиметрических исследований 32
2.2.1. Исследование динамики транспирации риса и скорости фмьтрации- на рисовом поле 34
2.2.2. Исследование ВЛИЯНИЯ^развития корневой системы риса на'дренажный сток 35
2.2.3. Определение коэффициента фильтрации почво-грунта на рисовой оросительной системе в поливной период 43
2.3. Методика полевых исследований 49
2.3.1. Определение тешіопотока в почву и температурного режима рисового поля 49
2.3.2. Исследование влияния различных параметров закрытого трубчатого дренажа на солевой, тепловой и водный режимы почв рисовых полей . '... 55
2.3.3. Фенология и урожайность риса 60
2.4. Математическая обработка результатов исследований. 60
3. Результаты теоретических и экспериментмбных исследований 62
3.1. Фильтрация воды и рис 62
3.1.1. Динамика транспирации риса и её влияние на дренажный сток 62
3.1.2. Влияние фильтрации на урожайность риса 68
3.2. Фильтрация воды и температура почвы 73
3.2.1. Теоретический расчет изменения температуры почвы при фильтрации поливной воды 73
3.2.2. Влияние дренированности на температурный режим почвы 76
3.2.3. Конвективный теплоперенос на затопленном рисовом поле 81
3.2.4. Тепломелиорация почв рисовых полей 94
3.3. Благо- и солеперенос в почве рисовых систем на фоне закрытого внутрикартового дренажа 97
3.3.1. Анализ промывных норм на рисовых полях 97
3.3.2. Гидрологическое действие закрытого дренажа..101
3.3.3. Конвективный солеперенос 113
3.3.4. Способ мелиорации засоленных почв 123
3.4. Некоторые вопросы расчета закрытого внутрикартово го горизонтального дренажа на рисовом поле 129
3.4.1. Оптимальная степень дренирования 129
3.4.2. Оптимальные параметры закрытого дренажа на тяжелых засоленных почвах 132
3.5. Технология регулирования гидрологического режима рисовых оросительных систем при выращива нии риса с учетом комплексного управления водно-тепловым и солевым режимами почвы 139
Литература
- Динамика и распределение фильтрации по площади чека
- Исследование динамики транспирации риса и скорости фмьтрации- на рисовом поле
- Влияние фильтрации на урожайность риса
- Благо- и солеперенос в почве рисовых систем на фоне закрытого внутрикартового дренажа
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда и майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС предусматривается в ближайшее десятилетие значительно увеличить производство зерна, в том числе риса - ценного продовольственного продукта.
Одним из основных поставщиков риса в стране является Краснодарский край, производящий каждую третью тонну риса в стране Ввиду полного использования водных и земельных ресурсов, реальные возможности расширения площади рисовых оросительных систем в Краснодарском крае практически исчерпаны и дальнейшее увеличение валовых сборов риса должно идти по пути интенсификации сельскохозяйственного производства, в первую очередь за счет повышения урожайности риса, которая в последние годы стабилизировалась на уровне 4 т с I га.
Одной из. причин: некоторого снижения эффективности рисовод ства в крае, является неудовлетворительное мелиоративное состоя ние рисовых полей, вызванное их незначительной дренированностью, что приводит к ирригационному засолению и заболачиванию почвы.
Параметрі существующей дренажно-сбросной сети рисовой оросительной системы не обеспечивают оперативного регулирования гидрологического режима почвы равномерно по всей площади карты, не позволяют создать оптимальные водно-воздушный, тепловой, солевой и пищевой режимы почвы, отвечающих физиологическим потребностям растений риса. В связи с этим необходимо научное обоснование комплекса оптимальных решений по повышению плодородия почв на этих системах с ликвидацией и предотвращением процессов заболачивания и реставрации засоления земель, изучения эффективности дренажной сети с оптимальными параметрами и рациональным режимом её работы.
Нами исследовался один из совершенных и перспективных способов мелиорации рисовых полей - закрытый горизонтальный внутри-картовый дренаж. Как в нашей стране, так и за рубежом этот способ мелиорации заболоченных минеральных земель позволяет значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, но исследований эффективности применения закрытого горизонтального дренажа позволяющего комплексно управлять жизнеобеспечивающими факторами растений риса в период его вегетации, практически не имеется.
Целью работы являлось установление оптимальных параметров закрытого горизонтального внутрикартового дренажа на рисовых оросительных системах на основе изучения конвективного переноса тепла и солей в почве, с учетом влияния жизнедеятельности растений риса на формирование дренажного стока.
Тема настоящей работы определила круг проблем, требующих своего решения в процессе исследования:
Изучить зависимости между дренажным стоком, развитием корневой системы риса, урожайностью риса.
Исследовать конвективный перенос тепла и солей в почве рисовых систем.
Установить оптимальную скорость фильтрации на рисовом поле.
Разработать общие принципы технологии комплексного регулирования водно-тепловым, солевым режимами почв рисовых систем с закрытым дренажем в вегетационный период.
На основании полученных результатов разработаны и на уровне изобретений защищены способы регулирования теплового и солевого режимов почвы на рисовнх оросительных системах с закрытым внутри-картовым горизонтальным дренажем. Установлены его оптимальные параметры.
Представляемая работа выполнена согласно заданию Государственного Комитета по науке и технике на I98I-I986 гг., в соответствии с целевыми комплексными программами 0.Ц.034 (задание 07.01, головная организация - МЕШ) и 0.Ц.035 (задание 03.02, головная организация - БНИИриса).
Результаты исследований рекомендованы для внедрения в рисосеющих зонах СССР, где мелиоративные условия рисовых оросительных систем требуют их коренного улучшения.
На публичную защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
Закрытый внутрикартовый горизонтальный дренаж, обеспечивающий скорость фильтрации поливной воды на рисовом поле в пределах 0,02...0,04 м/сут, является одним из эффективных средств регулирования конвективного переноса тепла и солей в почве рисовых оросительных систем.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Динамика и распределение фильтрации по площади чека
Фильтрация, как составная часть водного баланса рисового чека. В уравнении водного баланса рисового чека фильтрация входит в расходную его часть /56, 69/ MH+P = W+FB+ET+S, (ІД) где Ми - оросительная норма, нетто; Р - осадки; W - влагонасыщение зоны аэрации; ЕТ- эвапотранспирация; г 8 - количество воды пошедшее на вертикальную фильтрацию; о - поверхностные сбросы с чека. Все величины выражаются в м3/га. Из данного уравнения следует, что одной из основных расходных составляющих оросительной нормы риса является объем воды на вертикальную фильтрацию.
Фактические значения величины вертикальной фильтрации на рисовых оросительных системах нашей страны составляют 5...40$ от оросительной нормы. -Такие колебания объема фильтрации при орошении риса прежде всего зависят от почвенно-гидрологических условий зоны рисосеяния. Объем воды пошедшей на фильтрацию на рисовых системах Узбекистана и Кзыл-Кумского массива равен 10...ЗО тнем3 на І га /90, 142, 155/. На юге Украины он составляет 1,5...6,0 тыс.м3 /75, 92, 176/. На землях Сарпинской низ- менности и Ростовской области на фильтрацию расходуется 4,0...6,0 тыс.м3 на I га /31, 53, 67, 92, 166/, в дельте Терека -до 7,0 тыс.м3 Д4/. В„ крупнейшем районе рисосеяния - Краснодарском крае, за период вегетации риса через поверхностный слой почвы фильтруется 3,0...5,0 тыс.м3 на I га /69/.
Динамика и распределение фильтрации по площади чека. Наличие оросительной сети и террасности чеков на рисовом поле, обуславливает различие в величине и направлении фильтрации по площади чека. Б зонах прилегающих к оросителю и высокому чеку, находится область восходящей фильтрации, на остальной площади чека - фильтрация нисходящая /30, 72, 84/. В настоящее время чек подразделяют на пять гидрологических зон. Две зоны активной фильтрации шириной 20...40 м прилегающие к дренажно-сбросному каналу и низкому чеку, в которых наблюдается промывной режим фильтрации. Две зоны выпора грунтовых вод: приканальная - прилегающая к оросительному каналу, шириной 10...20 м и притеррасная - шириной 20...30 м прилегающая к верхнему чеку. Центральную часть чека, на которой в период постоянного затопления фильтрация незначительна, называют застойной зоной /30, 70, 71/.
Абсолютные значения скорости фильтрации в каждой зоне зависят от почвенно-гидрологических условий и изменяются от 0,001 до 0,04 м/сут. Динамика изменения её в течение вегетационного периода имеет отчетливо выраженную закономерность. Скорость вертикальной фильтрации уменьшается от начала к концу оросительного периода Д7, 41, 69, 96, 152/. Основное уменьшение фильтрации происходит в первые 40...50 суток после начала затопления рисового поля (рис. I.I).
Затухание вертикальной фильтрации обуславливается способностью почвы к набуханию, кольматации, адсорбции воздуха, растворенного в фильтрующей воде /28, 102/. Различие в фильтрационных условиях по зонам чека, обусловленное параметрами существующей открытой дренажно-сбросной сети, затрудняет создание одинакового водного, солевого и теплового режимов почвы по всей площади рисового чека, что отражается в пестроте урожайности риса по площади /71/.
Физиологическая потребность риса произрастать на затопленной почве, позволила использовать данную культуру в целях мелиорации. Действительно, на сильно засоленных почвах первоначально выращивают рис для того, чтобы фильтрующие воды вымыли излишнее количество солей из корнеобитаемой зоны почвы. В дальнейшем на данной территории выращивают сельскохозяйственные культуры, не обходимые хозяйству. Особенно часто промывки на фоне риса используются перед посевом хлопчатника.
Расселяющее действие фильтрации заключается в растворении фильтрующейся по порам грунта водой, солей, содержащихся в активном слое почвы с последующим удалением их в нижние горизонты или дренажно-сброснуга сеть.
Механизм процесса промывки почв заключается в следующем: кристаллы легкорастворимых солей, находящиеся на пути нисходящего тока воды, полностью растворяются в самый начальный период промывки, в процессе насыщения почвы до наименьшей влагоемкости /42, 134/. В дальнейшем поступление солей в фильтрат осуществляется преимущественно за счет молекулярной диффузии их из почвенного раствора или кристаллов солей, заключенных во внутрипочвен-ных порах, где конвективный перенос солей отсутствует. Чем дольше будет находиться порция воды в контакте с агрегатом почвы, из которой процессом диффузии выносится соль, тем более насыщенной окажется промывная вода.
Соли вымываются тем легче, чем мельче почвенные агрегаты, так как в более мелких агрегатах меньше длина пути диффузии солей к активным порам, по которым фильтруется промывная вода Д24, 165/.
В общем случае конвективный перенос солей в почвогрунтах зависит от скорости фильтрации, строения порового пространства почвы, распределения солей, ионного обмена /6, 14, 114, 145, 170/.
Исследование динамики транспирации риса и скорости фмьтрации- на рисовом поле
Исследование динамики транспирации риса и скорости вертикальной фильтрации на рисовом поле. Взаимосвязь между интенсивностью транспирации и вертикальной фильтрацией изучалась в лизиметрических установках ЛУР-4, которые достаточно полно моделируют водно-физические процессы рисового ПОЛЯ /68/.
Установка представляет собой металлический бак размером 3200 х 740 х 940 мм, в котором закреплено 4 сосуда,с конусообразным дном (ГГЙ-3000). Каждый оборудован иглой контроля за уровнем воды и водосливным отверстием, расположенным в днище сосуда. Для регулирования скорости вертикальной фильтрации в сосуде служит V - образная трубка, один конец которой подсоединяется к водосливному отверстию, а высотное положение второго - относительно плоскости воды в сосуде, определяет величину фильтрации (за счет градиента напора). Одинаковый температурный режим почвы в лизиметрах поддерживается водяной рубашкой. Для достижения большей вертикальности и параллельности струек нисходящих токов воды в верхнем слое почвы, конусообразную нижнюю часть лизиметров заполняют речным песком.
Опыт 1976 г. Лизиметры заполняли суглинистой почвой с рисового чека, которую послойным трамбованием уплотняли до естественного состояния ( V - 1,1...1,2 т/м3). Толщина слоя почвы над дренажем составляла 0,4 м, воды над почвой - ОД м. В поверхно стный слой почвы вносились удобрения из расчета 120 кг на I га сульфат амония и 80 кг на I га суперфосфата. Изучали четыре варианта: I - фильтрацию без риса с начальной скоростью vx? = 0,02 м/сут; 2 - то же, с рисом из расчета 300 растений наї г (98 штук на лизиметр, сорт - Краснодарский 424); 3 - то же, с рисом Vo = 0,04 м/сут; 4-е рисом, без фильтрации. Исходной величины скорости фильтрации добивались путем опытного подбора градиента напора, который затем в продолжении всего периода исследований оставался неизменным. Затопление поддерживали 100 суток ежедневным 2-х разовым доливом воды (в 9 и 16 часов). Опыт проведен в трехкратной повторносте, определение скорости фильтрации выполняли замером объема дренажного стока в те же сроки. Данные по четырем вариантам позволяли вычислить величину транспирации риса. Величина суточной транспирации по вариантам 2 и 3 вычислялась следующим образом: Tz;3 = \Jzt3-Fi.3 Eit (2-1) где 1Z,3 - величина транспирации, мм/сут; \vZ,3 - величина суточного долива воды в сосуд, мм/сут; Fz,3 - величина дренажного стока, мм/сут; ul v// r/ - испарение с водной поверхности, определяемое по данным первого варианта (без риса), мм/сут. По 4 варианту: 7V=W4-ZT/ , мм/сут (2.2) 2.2.2. Исследование влияния развития корневой системы риса на дренажный сток. Вода, поглощаемая корнями растений, расходуется на транспирацию и образование биомассы растений /15, 158/. Причем на создание водной среды в клетках и образование химических соединений из общего количества воды, поглощаемой корнями, расходуется 0,2 % /90/. Рассматривая поглощение влаги корнями растений за короткий промежуток времени (сутки) можно считать, что в основе своей вся вода расходуется на транспирацию Д5, 56, 158/.
Динамика транспирации риса такова, что её максимальное значение приходится на период выметывание-цветение и составляет 10...15 мм/сут /65, 73, 175/. В этот же период практически заканчивается развитие корневой системы риса, его сосущая сила в это время максимальна /9/.
Исходя из этого, естественно предположить, что на затопленной почве имеется взаимосвязь между величинами транспирации и дренажного стока.
Опыт 1978 г. Для уточнения результатов опыта 1976 г. было решено в фазу цветения ликвидировать транспирацию путем срезки надземной части растений риса.
Исследования проводились в установках ЛУР-4. при трех вариантах начальной скорости фильтрации: 0,04, 0,02, 0,01 м/сут. Опыт проведен в трехкратной повторности.
Во время роста растений в лизиметрах поддерживался слой вода в 10 см ежедневным доливом. Дренажный сток определялся объемным способом. В период цветения риса в опытных лизиметрах каждого варианта надземная часть растений срезается ниже уровня воды в лизиметре. В этот период дренажный сток измерялся два раза в сутки, что необходимо для установления его динамики в день срезки стеблей. Так как поглощение корнями влаги из почвы обуславливается сложным комплексом факторов, в число которых входит скорость роста корней, интенсивность дыхательных процессов и погодные условия Д7/, то в связи с этим срезка корней производилась в ясный солнечный день в 14 часов, когда транспирация, а, следовательно и сосущая сила корней, максимальна.
Опыты I98I-I982 гг. Влияние сосущей силы корневой системы риса на пьезометрический напор почвенных вод и дренажный сток. Логично предположить, что всасывание влаги содержащейся в почве, корневой системой растений, как и в случае наличия фильтрации, должно отразиться на пьезометрическом напоре почвенных вод (при наличии слоя воды на поверхности почвы).
Исследование проводилось в модельной установке, представляющей собой прозрачный цилиндр высотой 30 см, диаметром II см. На боковой стенке цилиндра через равные промежутки имеются отверстия, через которые вовнутрь сосуда, в почву, вставляются дренажные трубки, к которым подсоединены пьезометры для наблюдения за уровнем почвенных вод (рис. 2.1). Дренажные трубки необходимы для получения достоверных показаний пьезометрического давления воды на исследуемых уровнях (2, 7, 12 и 17 см от поверхности почвы, что охватывает основную зону распространения корней).
Влияние фильтрации на урожайность риса
Для проверки результатов модельного опыта в 1983 г. в полевых условиях на карте 5 ЭОУ ВНИИриса измерялись скорость фильтрации поливной воды в лизиметрах с рисом и без него. Почвы на данной карте тяжелые с коэффициентом фильтрации 0,03 м/сут. Опыт показал, что на тяжелых почвах сосущая сила корней растений риса подтягивает воду из нижних горизонтов почвы, наблвда-ется "отрицательный" дренажный сток (таол. 3.4).
Вариант j- , Фазы вегетации 1 .-кущение {трубкование j цветение \ спелость Без риса 0,0016 0,0013 0,0007 0,0028 С рисом -0,0001 -0,0026 -0,0026 -0,0014 Расчет уменьшения дренажного стока по зависимостям, полученным на модели (рис. 3.3, кривая 4) для аналогичных условий 0,3...0,6) также показывает "отрицательный" дренажный сток (-3...-5 % от исходной).
Величина транспирации растения риса находится в пределах 0,00...0,015 м/сут, следовательно, на рисовых полях с коэффициентом фильтрации верхнего слоя гочвы меньше 0,01 м/сут, дренажный сток может прекратиться полностью. А это отрицательно сказывается на мелиоративном состоянии почвы, развиваются процессы заболачивания, прекращается вымыв солей и токсичных веществ, что, естественно, приводит к снижению урожайности риса. Таким образом, роль корневой системы заключается в том, что она изменяет гидравлическое сопротивление почвы. При наличии вертикальной фильтрации вектор сосущей силы корней направлен в направлении, противоположном вектору скорости движения воды в почве. В результате уменьшается дренажный сток в дренажную сеть рисовых полей. Чем меньше фильтрационная способность почвы, тем заметнее влияние корневой системы на дренажный сток. Для создания промывного режима, необходимо, чтобы величина фильтрации превышала величину транспирации риса, что возможно добиться на почвах с коэффициентом фильтрации более 0,01 м/сут.
Влияние фильтрации на урожайность риса. Для изуче ния влияния фильтрации на урожайность риса проводились специальные исследования на экспериментальном орошаемом участке ВНИИ риса и совхозе "Новопетровский", Краснодарского края. Агротехника и водный режим на всей площади в течение 1980-1982 гг. поддерживался согласно "Методическим указаниям..." Д23/. Рис воз-делывался при укороченном режиме орошения.
Почвы на участке ЕНИИриса лугово-черноземовидные, тяжелого механического состава. Объемная масса верхнего пахотного горизонта почвы в период затопления риса 1,1...1,2 т/м3. С глубиной объемная масса увеличивается до 1,72 т/м3 (на глубине 1,2 м). Коэффициент фильтрации почвогрунта, определенный методом откачки скважин-пьезометров, находится в пределах 0,002...0,3 м/сут. Грунтовые воды находятся в межполивной период на глубине I...2 м.
В вегетационный период уровень воды в сбросной сети повышается на 1...1,5 м. Перепад уровней воды в чеках и сбросе в среднем за период вегетации риса находится в пределах 0,47...1,5 м. Небольшой гидравлический напор, а также слабая водопроводимость почв определяют незначительный дренажный сток с рисовых карт. Единичный приток воды к дренам колеблется в пределах 0,0002.... 0,15 м3/сут на I п.м. ширины потока, который рассчитывался по формуле
Благо- и солеперенос в почве рисовых систем на фоне закрытого внутрикартового дренажа
Тепломелиорация почв рисовых полей. Результаты исследований, представленные в предыдущих разделах, позволяют утверждать, что дренированность и фильтрация воды на рисовом поле положительно сказывается на тепловом режиме почв рисовых полей. Изменение температуры особенно ощутимо в допосевной период, период увлажнительных поливов и в период поддержания слоя воды до фазы трубкования, т.е. в тот период, когда особенно остро ощущается недостаток температур. Б первые два периодатепловой режим почвы улучшается за счет изменения величины теплоемкости верхнего слоя почвы, в третьем - за счет конвективного переноса тепла фильтрующейся водой.
Таким образом, с точки зрения температурного режима почв в допосевной период уровень грунтовых вод должен находиться на та 95 ком уровне, чтобы высота капиллярной каймы находилась ниже поверхности почвы, что создает условия для лучшего прогревания верхнего слоя почвы. На существующих рисовых оросительных системах этого можно добиться максимальным понижением уровня воды в дренажно-сбросных каналах. На поверхности чеков не должно быть затопленных участков, периферийные чековые канавки должны быть без воды. В период увлажнительных поливов на поверхности почвы создается минимальный слой воды, который впитываясь в почву, прогревает её фильтрующейся водой. После чего почва также лучше прогревается на участках с высокой дренированностью, за счет снижения её теплоемкости.
В период наличия воды на почве и когда фильтрация её существенна (до фазы трубкования), регулирование теплового режима почв осуществляется за счет конвективного переноса тепла. Возможность регулирования температуры создается за счет перепада температур слоя воды и почвы на чеке (в дневное время температура воды на 3...60 С выше температуры почвы, а в ночное - на 2...30 С ниже). Достигается тепломелиорация регулированием скорости вертикальной фильтрации. На этот способ тепломелиорации почв получено авторское свидетельство на изобретение Д60, 162/.
Для увеличения температуры почвы производят накопление тепла в дневное время суток путем создания вертикальной фильтрации в пределах 0,02...0,04 м/сут. В ночной период (с 8 до 6 ч) фильтрацию по возможности полностью прекращают. Регулируя уровень? воды в дренажно-сбросных каналах, необходимо учитывать, что дренажный сток с рисовых полей изменяется не пропорционально изменению уровня воды в дренажно-сбросных каналах. Исходя из формулы Дгопюи (3.2) для единичного расхода следует, что наполнение канала на половину его глубины уменьшает дренажный отток только на 25 %, При большем наполнении дренажный сток затухает более рез ко (в среднем 15 % на десятую часть глубины канала).
Регулирование температуры почвы по всей площади чека (или карты) осуществляется с помощью закрытого внутрикартового дренажа. Следует отметить, что в рисосеющих районах Средней Азии, где в отдельные периоды температуры воды и почвы превосходят оптимальные, регулирование температурного режима должно быть направлено на её уменьшение. В этих районах, следовательно, необходимо промывной режим устраивать в ночное время, когда вода холоднее почвы. Промывной режим более оправдан, чем проточность, которую там применяют для уменьшения температур, так как с поверхностными сбросными водами в дренажно-сброснуго сеть попадает значительное количество внесенных удобрений и гербицидов, что приводит к нежелательным экологическим последствиям.
Регулирование температуры почвы с помощью конвективного переноса тепла вносит незначительные изменения в структуру водного баланса рисового чека. На системах без систематического внутрикартового закрытого дренажа изменений практически не Судет, так как дренированность этих карт незначительна.
. Рассмотрим расход воды на фильтрацию на рисовых полях с систематическим внутрикартовым закрытым дренажем, с параметрами, обеспечивающими регулирование скорости вертикальной фильтрации в пределах 0,00...0,04 м/сут. До создания на поле постоянного слоя воды обычно производят 4 увлажнительных полива продолжительностью по 2 суток, затем вода сбрасывается. При создании скорости вертикальной фильтрации 0,02 м/сут слой воды в 5 см профильтрует за двое суток, то есть никакого дополнительного расхода воды в период увлажнительных поливов наблюдаться не будет.
Похожие диссертации на Конвективный перенос тепла и солей в почве рисовых оросительных систем
