Содержание к диссертации
Введение
1. ВПО плодовых культур как один из наиболее эффективных способов полива 7
1.1. Сравнительная характеристика различных способов орошения плодовых культур 7
1.2. Современное состояние ВПО и его применение в плодоводстве 16
1.2.1. Особенность внутрипочвенного орошения, его преимущества и недостатки, краткая характеристика применяемых систем внутрипочвенного орошения 16
1.2.2. ВПО как задача о передвижении влаги 22
1.2.3. Применение ВПО в плодоводстве 25
2. Природные условия и методика проведения исследований 32
2.1. Местоположение и климатические условия района исследований 32
2.2. Геологическое строение и почвы опытного участка 33
2.3. Принятая к исследованию конструкция увлажнителей, ее обоснование 38
2.4. Описание лабораторной установки 42
2.5. Методика проведения исследований 45
2.5.1. Методика проведения лабораторных исследований 45
2.5.2. Методика проведения полевых исследований 47
2.5.3. Общие методические принципы проведения исследований 51
2.6. Обоснование выбранной сельскохозяйственной культуры 53
3. Моделирование и расчет влагопереноса при ВПО 59
3.1. Обоснование выбора математической модели влагопереноса в ненасыщенных почвогрунтах 59
3.2. Методы решения задачи о передвижении влаги в почвогрунтах 68
3.3. Расчет основных параметров влагопереноса 75
3.4. Обоснование выбранной модели влагоотбора плодовых культур 94
3.5. Аналитическое решение задачи о передвижении влаги с учетом отбора влаги корнями растений 101
4. Расчет элементов режима и техники ВПО плодовых культур 110
4.1. Режим орошения яблоневого сада при ВПО 110
4.2 Расчет рабочих напоров, способствующих равномерности увлажнения почвы 118
4.3 Определение оптимальной площади перфораций внутрипочвенных увлажнителей 126
4.4 Определение ширины противофильтрационного экрана 140
5. Распределение влаги при ВПО яблоневого сада 143
5.1 Формирование контура увлажнения и оценка эффективности полива 143
5.2 Динамика влажности почвы после полива 147
5.3 Распределение влаги в почве вокруг увлажнителя 157
6. Экономическая эффективность внутрипочвенного орошения яблоневого сада 164
Выводы и предложения производству 169
Список литературы 172
Приложения 192
- Современное состояние ВПО и его применение в плодоводстве
- Принятая к исследованию конструкция увлажнителей, ее обоснование
- Методы решения задачи о передвижении влаги в почвогрунтах
- Расчет рабочих напоров, способствующих равномерности увлажнения почвы
Введение к работе
Актуальность темы. Орошение — один из наиболее действенных факторов интенсификации садоводства, особенно в степной зоне страны, где сосредоточено преобладающее большинство орошаемых многолетних насаждений. Основной задачей орошения следует считать получение высоких урожаев при минимальных затратах воды на создание единицы продукции.
Положительно решить данный вопрос можно на основе внедрения в производство новых прогрессивных способов полива, и, прежде всего, с локальным характером увлажнения почвы (капельное и внутрипочвенное орошение). Большое значение для дальнейшего развития орошаемого садоводства имеет автоматизация полива, которая невозможна без управления водным режимом почвы. В отличие от поверхностных способов полива внутрипочвенное орошение недостаточно изучено. Вопросы теоретического обоснования этого способа полива, подтвержденного экспериментальными исследованиями, требуют дальнейшего серьезного изучения.
Вследствие больших капитальных затрат на строительство систем внутри-почвенного орошения (СВПО), этот способ полива наиболее целесообразно использовать при выращивании высокорентабельных сельскохозяйственных культур, к которым относятся и плодовые культуры. Однако, строительство СВПО, предшествующее посадке плодовых деревьев, приводит к тому, что в течение ряда лет, до начала периода плодоношения, произведенные капиталовложения не приносят прибыли и не окупаются, т.е. являются «замороженными». В современных рыночных условиях это препятствует широкому внедрению данного способа полива в плодоводстве.
В связи с этим появилась необходимость в проведении исследований по изучению эффективности строительства и эксплуатации систем внутрипочвен-ного орошения в действующих плодовых насаждениях.
Цель работы. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработать и обосновать методику расчета параметров техники и режима ло-
кального внутрипочвенного орошения плодового сада, обеспечивающих получение устойчивых урожаев при наименьших затратах оросительной воды. Достижение указанной цели связано с решением следующих задач:
уточнить математические модели влагопереноса с учетом транспирации растениями;
на основе изучения процесса влагопереноса выявить закономерности формирования контура увлажнения почвы, насыщенной корнями растений, при внутрипочвенном поливе;
изучить равномерность распределения влаги в почве в зависимости от гидравлических характеристик внутрипочвенных увлажнителей;
разработать методы расчета и прогнозирования режима локального ВПО;
оценить экономическую эффективность ВПО плодовых культур изучаемой конструкцией.
Научная новизна. Получены приближенные аналитические решения одномерных уравнений влагопереноса с учетом влагоотбора корнями растений.
Изучено влияние корневой системы плодовых деревьев на характер формирования и динамику контура увлажнения почвы при различных поливных нормах.
Разработана методика прогнозирования режима увлажнения почвы без производства трудоемких и длительных полевых работ.
Разработаны методы расчета оптимальной степени перфорируемости внутрипочвенных увлажнителей в зависимости от почвенных условий района их применения.
Экономически обоснована возможность строительства и эксплуатации системы локального ВПО яблоневого сада с односторонней укладкой увлажнителей относительно ряда деревьев.
Практическая значимость. Проведенные исследования дают возможность рекомендовать строительство СВПО в существующих плодовых садах, что позволяет значительно уменьшить срок их окупаемости. Полученные теоретические зависимости расчета элементов режима и техники внутрипочвенного оро-
6 шения способствуют автоматизации полива и экономии водных ресурсов. Разработанные методики расчетов позволяют уменьшить количество проведения различных замеров при научных изысканиях.
Реализация работы. Результаты исследований прошли производственную проверку в ОАО « Сады Придонья» Городищенского района Волгоградской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых ВГСХА в 2002г; на Второй международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира» Майкопского государственного технологического института в 2002 г; на международной научно-практической конференции «Проблемы АПК» ВГСХА, посвященной 60-летию Победы под Сталинградом. По материалам диссертации опубликованы 3 научные статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и предложений производству, списка литературы из 220 наименований, в том числе 22 на иностранном языке. В работе 209 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 33 рисунка и 13 приложений.
Современное состояние ВПО и его применение в плодоводстве
Одним из наиболее эффективных способов полива, при котором достигаются оптимальный водный, воздушный, тепловой и питательный режимы почвы, является внутрипочвенное орошение. Особенностью этого способа полива является то, что вода подается не на поверхность почвы, а непосредственно в подпахотный слой к корням растений. Академик ВАСХНИЛ А.Н.Костяков [86] справедливо отметил, что идеи применения источников орошения, расположенных ниже поверхности почвы возникли гораздо раньше, чем стали разрабатываться теоретические основы внутрипочвенного и капельного орошения, и имеют более чем 100-летнюю ис- торию. Еще в 1861 году в журнале «Механик-строитель» появилась статья, в которой автор указывал на возможность использования подземной системы дренажа для подпочвенного орошения. Первые опыты по ВПО из кротовых дрен были проведены во Франции в 1849 году, а в 1913 году в США впервые были проведены эксперименты с использованием для орошения увлажнителей из гончарных дренажных трубок [17]. В СССР исследования по ВПО начались в 20-е годы, когда В.Г.Корнев выдвинул идею о вакуумной или автоматически действующей системе ВПО. Различают системы внутрипочвенного орошения в основном по следующим принципам: по принципу поступления воды в почву и по способу устройства конструкции внутрипочвенных увлажнителей [104]. Отдельно рассматривают так называемые особые виды внутрипочвенного орошения. По принципу поступления воды в почву выделяют: а) Вакуумное внутрипочвенное орошение, при котором всасывающая си ла почвы вызывает поступление воды в почву из трубы через ее пористую по верхность, в результате чего в трубе создается вакуум, под действием которого происходит пополнение труб водой. В.Г.Корнев называет этот метод ВПО аб сорбционным [85]. б) Безнапорное внутрипочвенное орошение. Принцип действия этого вида подпочвенного орошения основан на реализации капиллярного передвижения воды в почве, подаваемой по подпочвенным трубам при частичном заполнении их сечения. в) Напорное подпочвенное орошение. При данном виде ВПО вода в трубах находится под некоторым напором, а характер ее поступления в почву будет зависеть от конструкции увлажнителей. В том случае, если в трубах имеет место сосредоточенный выход воды (отверстия, щели и т.п.), то вода, поступившая в почву, передвигается в ней главным образом под действием силы тяжести и гидростатического давления. Если выход воды в почву происходит через пористую поверхность труб, то ее дальней- шее передвижение в почве будет носить преимущественно капиллярный характер.
От конструкции внутрипочвенных увлажнителей зависит надежность работы оросительной системы, характер увлажнения почвы и размер затрат на строительство. По способу устройства внутрипочвенных увлажнителей различают ВПО по трубам, выполненным из различных материалов (керамические трубы, пустотелый кирпич, черепица, доски и т.п.) и по, так называемым, кротовинам, нарезка которых осуществляется специальными механизмами, путем выдавливания в почве цилиндрической или иной формы полости [50]. Вначале развития этого способа полива для устройства внутрипочвенных увлажнителей применялись различные местные материалы: деревянные лотки, уложенные вверх дном, пустотелый кирпич, черепица, гравий, щебень, шлак, пучки хвороста или камыша, ракушечник, крупнозарнистый песок, непере-гнивший навоз и другие. Однако отечественный и зарубежный опыт показал, что наибольшее производственное применение нашли трубчатые системы ВПО. Испытано множество различных видов труб — это гончарные и керамические с выходом воды в стыках, через отверстия, щели в стенках труб, бетонные, пес-чано-битумные, из толя и другие. В последнее время предпочтение стали отдавать трубам из полимерных материалов — полиэтиленовым и полихлорвиниловые с выходом воды через перфорации и щели. Это связано с тем, что строительство системы ВПО при этом значительно дешевле и укладка труб может быть полностью механизирована. Гончарные трубки достаточно прочны, не подвергаются коррозии, имеют небольшую стоимость, однако значительная масса их, сложность механизированной укладки, бой при транспортировке сдерживают производственное внедрение систем ВПО с такими увлажнителями.
Применение полиэтиленовых труб в мелиоративной практике способствовало расширению и углублению работ в области ВПО. Эти трубы обладают малой массой, эластичностью, высокой механической прочностью и химической стойкостью. Строительные расходы при бестраншейной укладке полиэти- леновых труб сокращаются на 60 - 80 % [17]. Выполнение различных перфораций в таких трубах позволяет уменьшить заиление и зарастание корнями растений внутренней полости увлажнителей. При использовании цельнотянутых труб в качестве увлажнителей упростился процесс строительства участков ВПО, особенно с применением бестраншейных трубоукладчиков. Отпадает одна из самых трудоемких работ — выполнение стыков труб, нет опасности смещения стыков в траншее и выхода из строя увлажнителей. Как следствие - увеличивается надежность в эксплуатации участков ВПО. Из всех систем ВПО наиболее дешевым и доступным является внутрипоч-венно-кротовое орошение. При этом способе полива увлажнители имеют вид «земляных труб», называемых искусственными с хорошо выраженной капиллярностью. Широкое внедрение в производство внутрипочвенно-кротового орошения сдерживается из-за короткого срока службы таких систем. Для уменьшения проникновения воды в глубокие слои почвы (особенно на почвах с высокой фильтрацией) и лучшего распространения ее в горизонтальном направлении на трубчатых системах ВПО устраивают различные противо-фильтрационные экраны, выполненные из полиэтиленовой пленки, рубероида, стекловаты и т.д.
Принятая к исследованию конструкция увлажнителей, ее обоснование
Предпосылки для развития локального орошения создались с возникновением в промышленности полимерных материалов. Сущность этого орошения состоит в подаче воды отдельно каждому растению, причем орошается только небольшой, наиболее насыщенный корнями объем почвы. В результате применения локального орошения увлажняются обычно отдельные, изолированные друг от друга очаги, между которыми не происходит послеполивного перераспределения влаги. При этом снижаются потери воды на физическое испарение с поверхности почвы по сравнению со способами полива, обеспечивающими увлажнение всей площади питания растения [16].
Такое орошение дает высокий организационно-хозяйственный и агрофизический эффект, который состоит в следующем: технология орошения поддается автоматизации оно требует меньших затрат энергии, чем дождевание; достигается экономия поливной воды; не наносится ущерба почвенному плодородию; затрудняется развитие сорной растительности и пр. Все это дает возможность создать лучшие условия для произрастания возделываемых культур, что увеличивает урожаи и повышает качество получаемой продукции. Эффект локального орошения складывается из повышения производительности труда при условии автоматизации технологии орошения; экономии поливной воды; отсутствия эрозии почвы; улучшения условий труда; повышения урожайности сельскохозяйственных культур вследствие появления возможности более строго соблюдать оптимальный поливной режим [36, 62].
Однако, строительство и эксплуатация систем локального орошения требует значительных капитальных затрат и потому этот способ рекомендуется применять главным образом при выращивании многолетних отзывчивых на орошение высокорентабельных культур, к которым относятся плодовые культуры. Говоря о преимуществах локального орошения, М. Декруа [57] отметил, что «локализация стоит дорого, и в каждом отдельном случае для определенного типа почвы, климата, культуры и агротехники принимается компромиссное решение относительно оптимальной плотности размещения устройств подачи воды».
В нашей стране и за рубежом применяют большое число различных конструкций систем локального орошения. Основным требованием к ним является стабильность и равномерность раздачи оросительной воды между растениями. В наших исследованиях изучалась конструкция внутрипочвенных увлажнителей, выполненных из полиэтиленовых труб с внутренним диаметром равным 40мм (рис. 2.1) и состоящих из перфорированных и не перфорированных участков. Перфорации выполнены в виде круглых отверстий диаметром 1,5 мм с шагом равным 0,15 м, перфорированные участки длиной 1,2 м расположены в зоне размещения основной массы корней деревьев симметрично относительно штамба. Длина не перфорированных участков определялась в соответствии со схемой посадки деревьев. На опытном участке сад был заложен по схеме 6x4, следовательно, длина не перфорированного участка составляет 2,8 м. В связи с высокой себестоимостью строительства СВПО, исследовали эффективность внутрипочвенного полива из увлажнителей, заложенных только с одной стороны от ряда деревьев. При этом увлажнители располагались на расстоянии 1,2 м от ряда деревьев, глубина укладки составляет 0,5 м от поверхности почвы. Для уменьшения потерь воды на глубинную фильтрацию и увеличения ширины контура увлажнения изучаемой конструкцией был предусмотрен полнооборотный противофильтрационный экран шириной 0,4 м, выполненный из полиэтиленовой пленки и имеющий односторонний водовыпуск, направленный в сторону расположения ряда деревьев Все увлажнители на конце были заглушены пробками и имели длину 150м, которая согласуется с имеющимися рекомендациями по проектированию и строительству систем ВПО. На рисунке 2.2 представлена схема опытно-производственного участка ВПО. Забор оросительной воды происходит из магистрального канала с помощью мотопомпы МП-800, питание каждого из распределителей осуществляется через отдельные гидранты. Из распределительного трубопровода вода поступает в напорный резервуар емкостью 2,8 м3, откуда она самотеком, после открытия вентиля, передвигается по увлажнителю. Исследование формирования контура увлажнения почвы в зависимости от поливной нормы и предполивной влажности проводились нами в 2000...2002 годах на лабораторной установке, схема которой представлена на рис. 2.3.
Через подающую трубу 1 вода поступает в щелевой водослив Г-образной формы 2, который оборудован пьезометром 3. Затем она передвигается в демпфирующий резервуар 4, снабженный отводящей трубкой 5, которая имеет в верхней части кольцевое уплотнение из поролона, предназначенное для плотного прилегания сегментного клапана 6, фиксирующегося по центру трубки 5 держателем 7. Вертикальное положение клапана обеспечивается шарнирным
Методы решения задачи о передвижении влаги в почвогрунтах
Существенная нелинейность краевых задач влагопереноса создает большие трудности при решении конкретных задач. Поэтому, обычно решение этого уравнения находят каким-либо приближенным методом или с помощью линеаризации уравнения тем или иным способом. Рассмотрим основные существующие подходы к решению данной задачи. И.И.Кулабуховой и ПЯ.Полубариновой-Кочиной [89] предложен приближенный метод решения уравнения влагопереноса (3.4), основанный на линеаризации этого уравнения по способу малого параметра. Предполагается, что функции W(z,t), K(W) можно разложить в ряд по степеням некоторого параметра X. При этом Для малых значений А решение находится в виде W = u0+Zult где значение определяется по одной из формул: s,/,r0 находим по заданному разложению в ряд, а и0 принимается за постоянное значение, которое находится в ходе решения. Данный метод решения уравнения влагопереноса дает довольно грубое приближение, при этом вопрос о сходимости упомянутого ряда остается открытым. И.И.Кулабухова [88] дает приближенное решение уравнения (3.4), задаваясь параболической зависимостью между координатой z какой-нибудь точки жидкости и влажностью W в ней расстояние, на которое распространилась просочившаяся влага.
Для решения того же уравнения (3.4) Филип [217] применил преобразование Больцмана, с помощью которого, путем введения новой функции p = z4t у уравнение в частных производных приводится к обыкновенному дифференциальному уравнению. Для случая вертикального влагопереноса, выраженного уравнением (3.4), применяя преобразование Больцмана, Филип представил решение в виде ряда Здесь коэффициенты 7, -, ,0,f зависят только от влажности. Ряд (3.19) сходится по крайней мере для малых t, так что требуется нахождение лишь немногих первых его членов. Функции 7, , , ,/ являются решением системы обыкновенных дифференциальных уравнений: функцию, в случае, если найдено решение предыдущих гп-1 уравнений. Метод Филипа был использован при решении уравнения влагопереноса в работах В.И.Пеньковского и СТ. Рыбаковой [129]. При этом, СТ.Рыбакова [147] провела сравнительный анализ решений рассматриваемого уравнения тремя перечисленными методами. Если считать, что метод Филипа для малых значений времени дает наиболее точный результат, то сравнение профилей влажности, построенных разными методами для одного и того же момента времени, показывает, что наиболее близкой к решению Филипа является зависимость полученная Кулабуховой для п=1. Метод линеаризации по способу малого параметра дает довольно хорошее согласование с решением Филипа только для больших значений влажности. Чайльдс [199] получил решение уравнения влагопереноса для случая, когда процесс передвижения влаги можно считать установившимся, то есть 5/ Тогда для вертикального передвижения влаги получают уравнение аналогичное уравнению Дарси. Скоттом и Хенком [218] получено решение уравнения в предположении, что коэффициент диффузии является экспоненциальной или линейной функцией влажности W. Решение найдено в виде степенного ряда, который имеет конечный радиус сходимости. Недостатком решения является его громоздкость, авторами найдено 24 члена ряда. В работах Омстейда [215] приводится численное решение уравнения передвижения влаги в ненасыщенной среде, в случае зависимости Гарднера коэффициента диффузии D от влажности. Однако, при решении предполагается, что почва имеет высокую начальную влажность. Это существенно ограничивает применение полученного решения, так как на практике обычно исследуются другие случаи.
Расчет рабочих напоров, способствующих равномерности увлажнения почвы
Основным требованием качества увлажнения, от которого в конечном итоге зависит урожайность сельскохозяйственных культур, является равномерное распределение воды по длине увлажнителя. При ВПО равномерное распределение воды по длине увлажнителя достигается за счет применения оптимальных элементов техники полива, которые зависят от конструкции увлажнителя, его уклона, свойств почвы, напора в сети, площади перфорации [47, 72, 75] . Наиболее постоянными из указанных параметров для определенных почвенных условий являются свойства почв. Поэтому они должны быть учтены при разработке конструкций и параметров внутрипочвенной увлажнительной сети [103]. При ВПО процесс полива можно разделить на две стадии: первая — стабилизации напора и расхода; вторая — установившейся инфильтрации, при которой линии подачи и напора параллельны. Соответственно, неравномерность увлажнения, возникающая при поливе посредством системы ВПО, объясняется следующими причинами [117]: 1. Заполнение системы водой происходит за конечный промежуток времени, в связи с чем, участки, расположенные ближе к водозаборному устройству и распределительному трубопроводу, начинают увлажняться раньше, чем остальные, а после окончания полива эти участки будут насыщены некоторым дополнительным количеством воды. 2. После заполнения системы водой поток переходит в гидравлический режим, который также является неустановившимся, так как по мере насыщения грунта водой изменяются условия, способствующие оттоку из увлажнителя. Рассмотрим первую из указанных причин и возможные пути снижения ее влияния на качество увлажнения почвы орошаемого участка. Очевидно, что для уменьшения неравномерности увлажнения почвы по длине увлажнителя необходимо сокращение продолжительности первой стадии полива, которого можно достичь путем уменьшения времени заполнения увлажнителя водой. Время до-бегания струи по трубкам-увлажнителям непосредственно зависит от поддерживаемого напора и их конструктивных особенностей [96]. Следовательно, более равномерного увлажнения можно достичь за счет увеличения расхода увлажнителя в начале полива до максимально допустимого значения. Как известно, расход увлажнителя находится в прямой зависимости от поддерживаемого напора в его голове.
Поэтому, величина напора является основным параметром регулирования расхода воды в увлажнителе в начале полива. При внутрипоч-венном орошении из перфорированных полиэтиленовых увлажнителей рекомендуемый оптимальный напор составляет 0,5...0,6 м и не должен превышать 0,8...1,5 м [33, 52], при дальнейшем его увеличении возможно появление суффозии грунта, а также выклинивание воды на поверхность почвы. В связи с этим, на опытно-полевой установке нами были проведены соответствующие исследования по изучению зависимости времени добегания струи от напора в голове увлажнителя, который изменялся в пределах 0,5... 1,5 м. Расходы воды в увлажнителе при различных напорах составили: при В отличие от расходов, с увеличением пьезометрического напора время до-бегания струи воды до конца увлажнителя уменьшается. В проведенных опытах нами было получено: В связи с тем, что перфорированный увлажнитель представляет собой трубопровод с путевым расходом, который в значительной степени определяется скоростью впитывания влаги почвой, нами был рассмотрен вопрос взаимосвязи между временем добегания и впитывающей способностью почвы. Установившийся удельный расход на 1 п.м. увлажнителя М.С. Григоров [50] предлагает рассчитывать, учитывая впитывающую способность почвы, по следующей формуле: где -установившийся удельный расход на 1 п.м, м3/с; b - ширина зоны насыщения, м; 1 - длина зоны насыщения, 1 м; Vm -скорость впитывания на глубине укладки увлажнителя за третий час, м/с. Процесс поглощения влаги почвой не является стационарным и изменяется в течение полива. Вначале впитывание влаги в почву происходит более интенсивно, а по мере увеличения продолжительности полива происходит насыщение почвы и, соответственно, ее впитывающая способность уменьшается. В связи с этим, удельный расход в начале полива является неустановившимся и находится в зависимости от скорости впитывания почвой. Поэтому, при расчете времени добегания струи до конца увлажнителя нами определялся начальный удельный расход следующим образом. По аналогии с зависимостью (4.17), предложенной М.С. Григоровым, предполагаем, что начальный удельный расход определяется скоростью впитывания влаги почвой на глубине укладки увлажнителя за 1-ый час, т.е.: где q0 -начальный удельный расход, м3/ч; F -скорость впитывания за 1-ый час, м/ч; Ъ -шириназоны насыщения, образовавшейся за 1-ый час, м.
Зная начальное удельное впитывание, можно определить путевой расход увлажнителя Qn м3/ч в начале полива: где V - длина всей зоны насыщения вдоль оси увлажнителя, принимается равной длине увлажнителя для полностью перфорированных труб и определяется с учетом длины перфорированных участков и радиуса зоны насыщения для частично перфорированных увлажнителей, м. Транзитный расход, проходящий через сечение, равен разности расходов в голове увлажнителя и путевым расходом [84, 130, 161], мъ 1ч: Таким образом, определяем начальный транзитный расход Q\p как разность расхода увлажнителя и начального путевого расхода: Тогда начальная транзитная скорость м21ч составит: где со -площадь поперечного сечения увлажнителя, м2. В связи с тем, что транзитный расход представляет собой расход, проходящий по всей длине трубопровода, время добегания жидкости до конца увлажнителя находим как отношение
