Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности внутрипочвенного орошения и возможности его автоматизации 10
1.1. Преимущества и недостатки применяемых способов и систем внутрипочвенного орошения 10
1.2. Классификация систем внутрипочвенного орошения и условия его применения 12
1.3. Основные методы внутрипочвенного орошения и их эффективность 18
1.4. Конструктивные особенности трубчатых систем внутрипочвенного орошения и его перспективы 29
1.5. Автоматизации систем внутрипочвенного орошения и повышение качества полива 44
2. Научные основы и методы расчета влаго - теплопереноса при внутри почвенном орошении 47
2.1. Состояние изученности теории внутрипочвенного орошения 47
2.2. Закономерность передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении 52
2.3. Процесс и характер распределения влаги в случае однородных и неоднородных грунтов 61
2.4. Состояние вопроса моделирования водно - теплового режима почвогрун-тов и задачи исследований 64
2.5. Математическая модель двумерного влаго - и теплопереноса в почвогрун-тах на орошаемых полях 70
2.6. Численный расчет влаго - и теплопереноса в почвогрунтах при внутрипочвенном орошении 74
2.7. Моделирование влагообмена в корнеобитаемом слое почвы 78
2.8. Определение основных параметров влагопереноса в почве 85
3. Задачи, условия, схема опытов и методика проведения исследований...97
3.1. Вопросы исследований, поставленных на изучение 97
3.2. Краткая характеристика условий проведения исследований 98
3.3. Конструкция увлажнителей, принятая к исследованиям и схемы опытов. 111
3.4. Основные методические положения исследований 115
3.5. Методика проведения лабораторно - полевых исследований 119
3.6. Методика проведения полевых исследований 126
4 Техника и основные параметры систем внутрипочвенного орошения ..131
4.1. Расчет расстояния между внутрипочвенными увлажнителями и глубины их укладки 131
4.2. Расчет длины внутрипочвенных увлажнителей 137
4.3. Расчет длины внутрипочвенных увлажнителей в зависимости от уклона местности 140
4.4. Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипоч-венном орошении 146
4.5. Расчет приближенных формул для определения продолжительности полива, расстояния между увлажнителями и норм полива 153
4.6. Распределение влаги вокруг увлажнителя в зависимости пьезометрического напора 160
4.7. Влияние величины поливных норм на распределение влаги в почвенном профиле 171
4.8. Динамика влажности почвы после полива и распределение ее по длине увлажнителя 175
5. Экспериментальные исследования формирования контуров увлажнения и гидравлического режима внутрипочвенных увлажнителей 180
5.1. Технология проведения внутрипочвенных поливов 180
5.2. Влияние конструкций увлажнителя на формирование контуров увлажнения 183
5.3. Влияние пьезометрических напоров и противофильтрационных экранов на величину и форму контура увлажнения 185
5.4. Формирование контуров увлажнения в зависимости от поливной нормы. 187
5.5. Оценка эффективности внутрипочвенного полива сельскохозяйственных культур с учетом наличия корневой системы 197
5.6. Зависимость расхода воды в увлажнителе при различных напорах во время полива 201
5.7. Заиление увлажнителей и пути его устранения 207
5.8. Оптимизация основных параметров систем внутрипочвенного орошения 209
6. Режим внутрипочвенного орошения сельскохозяйственных культур в условиях Нижнего Поволжья 223
6.1. Современное состояние изученности внутрипочвенного орошения в Волгоградской области 223
6.2. Режим орошения и технология внутрипочвенного полива 228
6.3. Особенности внутрипочвенного орошения кормовых культур в Волго- Ахтубинской пойме 234
6.4. Режим внутрипочвенного орошения яблоневого сада в условиях Волго- Донского междуречья 249
7. Энерго-экономическая эффективность внутрипочвенного орошения по сравнению с традиционными способами полива 272
7.1. Улучшение мелиоративных состояний почвы на системах внутрипочвенного орошения 272
7.2. Экономия воды на системах внутрипочвенного орошения 274
7.3. Агрономическая оценка систем внутрипочвенного орошения 276
7.4. Энергетическая оценка возделывания кормовых культур при разных способах полива 280
7.5. Экономическая эффективность внутрипочвенного орошения сельскохозяйственных культур 285
Основные выводы и рекомендации производству 294
Список использованной литературы 297
Приложения 329
- Классификация систем внутрипочвенного орошения и условия его применения
- Закономерность передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении
- Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипоч-венном орошении
- Влияние конструкций увлажнителя на формирование контуров увлажнения
Введение к работе
Актуальность исследований. Экономия водных ресурсов сегодня - задача первостепенной важности. Это обязывает мелиораторов разрабатывать и внедрять водосберегающие технологии при поливе сельскохозяйственных культур.
Существующие способы полива, особенно поверхностные, имеют существенные недостатки, главными из которых являются: нерациональное использование оросительной воды, низкая производительность труда, а также сложность механизации и автоматизации полива.
Исследованиями многих ученых: В.Г. Корнева, В.Н. Кичигина, В.И. Боб-ченко, А.А. Богушевского, И.М. Астапова, М.С. Григорова, В.Г. Лабоды, В.И. Канардова, Н.Р. Хамраева, Д.П. Гостищева, Г.Ю. Шейнкина, Б.А. Шумакова, В.П. Остапчика, В.Р. Ридигера, Е.И. Копьева, Е.П. Борового и других - была установлена эффективность воздействия внутрипочвенного орошения на развитие и продуктивность растений, повышение производительности труда на поливе в сравнении с поверхностным орошением и дождеванием.
Уже сейчас нет сомнения в том, что среди перспективных способов орошения одним из основных является внутрипочвенное. Использование внутри-почвенного орошения позволяет автоматизировать процесс полива, оптимизировать водно-воздушный режим почвы, сохранить и улучшить ее структуру, обеспечить наиболее благоприятное для растений капиллярное увлажнение почвы. В результате этого урожайность сельскохозяйственных культур возрастает на 20-30 % при минимальных затратах поливной воды и ручного труда даже в сравнении с дождеванием.
Однако возможности внутрипочвенного орошения из-за недостаточной изученности теоретических основ и технологии полива реализованы не полностью. Высокая капиталоемкость также отрицательно сказывается на освоении
7 его производством. Поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии внутрипочвенного орошения как одного из наиболее экономичных способов распределения воды, представляют научный и практический интерес. В связи с этим возникла необходимость в широких исследованиях, направленных на разработку конструкций систем внутрипочвенного орошения (СВПО), научное обоснование оптимизации сочетания водно-воздушного и питательного режимов почвы, теоретических основ и параметров СВПО, что и было положено в основу настоящей диссертационной работы.
Цель работы и задачи исследований. Цель исследований сводилась к изучению особенностей и закономерностей передвижения влаги в почвенном профиле при использовании увлажнителей различных конструкций, обоснованию основных параметров СВПО, предельно допустимых длин, уклонов и расстояний между увлажнителями в зависимости от почвенно-климатических условий и возделываемых сельскохозяйственных культур, а также установлению рационального режима поливов, исключающего потери воды на фильтрацию и обеспечивающего получение устойчивых урожаев в условиях Нижнего Поволжья.
Достижение поставленной цели включало решение следующих задач:
изучение особенностей и равномерности распределения влаги в активном слое почвы;
разработка математической модели, используемой для описания динамики, прогнозирования и управления водным режимом корнеобитаемого слоя почвы;
обоснование основных параметров характеристики СВПО (длина увлажнителей, расстояние между ними и глубина укладки);
исследование и выбор параметров гидравлики трубчатых увлажнителей различных конструкций;
изучение процесса формирования увлажненного контура почвы трубчатой сети различной конструкции;
изучение влияния способов полива на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур в условиях Нижнего Поволжья;
8 энерго-экономическая оценка эффективности различных способов полива сельскохозяйственных культур.
Научная новизна. Разработана методика расчета, позволяющая в зависимости от водно-физических свойств почвы, при заданной равномерности полива, определить оптимальные параметры СВПО в условиях Нижнего Поволжья. Создана математическая модель прогнозирования водного режима в кор-необитаемом слое почвы.
Впервые в условиях Волго-Донского междуречья исследована односторонняя локальная конструкция ВПО, позволяющая улучшить качество увлажнения почвы и сократить капитальные затраты на строительство системы.
Практическая значимость состоит в научном обосновании и экспериментальном подтверждении экономической целесообразности и экологической безопасности развития в определенных природных условиях водосберегающего ВПО.
Основные положения, выносимые на защиту:
-особенности распределения влаги в почвенном профиле в зависимости от конструкции увлажнителей и поливной нормы;
-методика расчета продолжительности полива, исключающая глубинную фильтрацию;
-математическая модель прогнозирования водного режима в корнеоби-таемом слое почвы;
-современные методы расчета основных параметров систем внутрипоч-венного орошения;
-гидравлический режим работы внутрипочвенных увлажнителей;
-влияние способов полива на урожайность сельскохозяйственных культур в условиях Нижнего Поволжья.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты исследований прошли производственную проверку в хозяйстве АО «Ахтубинское» Среднеахтубинского района (1,2 га) и ОАО «Сады Придонья» Городищенского района (1,5 га) Волгоградской области.
Апробация и публикации. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических и международных конференциях ВГСХА и ВНИИОЗ (г. Волгоград) в 1994 - 2006 гг.; НГМА (г. Новочеркасск) в 1996 - 2003 гг.; ВНИИГиМ, МГУП и ВРНИИЭСХ (г. Москва) в 1998 - 2006 гг.; ПГСХА (г. Пенза) в 2002 г.; ФГНУВНИИ «Радуга» (г. Коломна) в 2004 г.; БГТУ (г. Белгород) в 2004 г.; Саратовский ГАУ (г. Саратов) в 2004-2006 гг.; Мещерского филиала ВНИИГиМ (г. Рязань) в 2004 г.; ПНИИАЗ (с. Соленое Займище) в 2006 г.
По теме диссертации опубликовано 80 научных работ, включающих 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов докторских диссертаций, монографию, 28 статей по докладам на международных конференциях, 1 учебное пособие.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений. Изложена она на 366 страницах и включает 47 таблиц, 75 рисунков и 24 приложения. Список использованной литературы представлен 316 наименованиями, из них 17 на иностранных языках.
Все теоретические разработки выполнены автором лично. В работе использованы экспериментальные материалы, полученные автором лично, а также совместно с соискателями Е.А. Ветренко и Е.В. Акутневой.
Классификация систем внутрипочвенного орошения и условия его применения
Целесообразность применения внутрипочвенного орошения, а также его режим зависят от множества факторов. К ним относятся: почвенно-климатические условия, состав и особенности сельскохозяйственных культур, их физиологические потребности, конструкция увлажнителей, их диаметр, расстояния между увлажнителями и их длина и др. Внутрипочвенное орошение наиболее эффективно и целесообразно на легких, средних и тяжелых почвах, с преобладанием в почвенном профиле суглинков, с достаточной скоростью капиллярного поднятия (не менее 0,5 мм/мин) в степных, полупустынных и пустынных областях, где ощущается острая нехватка водных ресурсов, на землях, подверженных ирригационной эрозии, при спокойном рельефе [21,23,48,49, 59, 66, 88, 93,113,116]. Расположение участков на крутых склонах затрудняет механизированную обработку площади и проведение поливов. Поэтому наиболее приемлемы для строительства участков уклоны не более 0,01. При этом почвогрунты должны быть незаселенными. Необходимо отметить, что при залегании грунтовых вод ближе 2,5-3,0 м от поверхности почвы систем внутрипочвенного орошения строить нельзя. При сложном микрорельефе предусматривается планировка участка под топографическую поверхность или под наклонную плоскость. При благоприятном рельефе местности планировка производится выборочно. С применением внутрипочвенного орошения большие перспективы открываются в области сельскохозяйственного использования сточных вод. Сие темы внутрипочвенного орошения с использованием сточных вод следует располагать не ближе 100 м от жилищной застройки, 50 м - от животноводческих комплексов, 25 м - от шоссейных дорог и автотрасс, включая полосу отчуждения. При использовании природной воды для орошения данные ограничения снимаются. Другим важным моментом при использовании хозяйственно-бытовых, промышленных, животноводческих и смешанных стоков является определение наличия взвешенных частиц, которые влияют на качество увлажнения, надежность работы и долговечность систем.
Для систем внутрипочвенного орошения с полиэтиленовыми увлажнителями размер твердых частиц не должен превышать 1 мм, а мутность - 0,04 г/л, для гончарных дренажных труб - соответственно не более 1 мм и 0,10 г/л [106,213,214, 241,287, 288,289]. На системах внутрипочвенного орошения следует предусматривать посадку лесных полезащитных полос по границам полей орошения. Лесополосы закладывают продуваемой и ажурной конструкций. Расстояния между рядами насаждений принимается 3-4 м, а в ряду -1-1,5 м. Полив при внутрипочвенном орошении в зависимости от рельефа местности может проектироваться по продольной, поперечной или смешанной схемам (рис. 1.1). Основными элементами систем внутрипочвенного орошения являются: водоисточник, водозаборное сооружение, насосная станция, очистные сооружения, узел приготовления удобрений, система автоматизации, дороги и оросительная сеть, состоящая из напорных участковых распределителей, низконапорных оросительных, увлажнительных и сбросных трубопроводов, соединительной арматуры, гидротехнических сооружений, гидрометрических приборов и контрольно-регулирующего оборудования. Крупные системы должны также включать внутрихозяйственные распределители различных порядков. В некоторых случаях системы внутрипочвенного орошения могут не иметь полного перечня основных элементов. Водоисточниками могут быть: реки, озера, водохранилища, обводнительные и оросительные каналы, подземные воды, предварительно подготовленные хозяйственно-бытовые, животноводческие и некоторые промышленные сточные воды. В табл. 1.1 дана классификация систем ВПО: по назначению; продолжительности нахождения увлажнительной сети на участке; величине рабочих напоров в увлажнительной сети; конструкции увлажнительной сети; способу укладки увлажнительной сети; технологии и режиму орошения [254]. Трубчатые и кротовые системы внутрипочвенного орошения получили наибольшее распространение, поэтому будут наиболее полно рассмотрены в данном обзоре. Идея внутрипочвенного орошения возникла еще в начале XIX века. В настоящее время этот способ орошения начинает приобретать производственное значение как имеющий бесспорное и коренное преимущество по сравнению с надпочвенными. А.Н. Костяков справедливо отметил, что идея применения внутрипочвенного орошения возникла значительно раньше, чем стали разрабатываться его теоретические основы. Практика в этом случае продвигалась ощупью. Поэтому до настоящего времени некоторые вопросы теории и практики внутрипочвенного орошения еще не нашли своего разрешения. Для названия этого способа орошения в литературе применяются различные термины, чаще всего употребляют слова «подпочвенное», «подземное» и «подпахотное». Однако сущность данного способа орошения наиболее точно отражает термин «внутрипочвенное орошение», так как из увлажнителей вода поступает не под почву, а в почву и увлажняет ее. В настоящее время этот термин получает все большее распространение. Это название было закреплено на Всесоюзном научно-техническом совещании «Итоги исследований, современное состояние внутрипочвенного орошения и перспективы его производственного использования» в 1977 г. [98]. История развития внутрипочвенного орошения изобилует многочисленными формами и методами этого типа полива. Все многообразие форм и способов внутрипочвенного орошения классифицировано по конструкции увлажнителей и устройству проводящих элементов оросительной сети, характеру подачи воды в почву во времени (непрерывно и периодически) и величине давления воды в увлажнителях (напорные и низконапорные) [51, 52, 53, 58, 100, 145,164, 216].
Существует разделение способов внутрипочвенного орошения по конструктивным особенностям и применяемым материалам на три группы: 1) методы, основанные на регулировании уровня грунтовых вод; 2) машинные методы внутрипочвенного орошения; 3) методы, основанные на использовании для подачи воды в почву труб-увлажнителей различных конструкций. Сущность орошения путем регулирования уровня грунтовых вод заключается в том, что запасы грунтовых вод на некоторой площади постоянно или периодически пополняются за счет оросительной воды, подаваемой на поля по системе труб или каналов (рис. 1.3). При этом уровень грунтовых вод поддерживается на отметках, при которых происходит капиллярное подпитывание верхних слоев почвы - так, например, орошаются земли в штатах Калифорния, Флорида, Колорадо (США). Примерно тот же принцип используется на осуши-тельно-увлажнительных системах Украины и Белоруссии. Особенности систем внутрипочвенного орошения схематически можно представить следующим образом (рис. 1.4). На основании многолетних исследований УкрНИИГиМ определены допустимые колебания уровня грунтовых вод, обеспечивающие высокую влаго-обеспеченность корнеобитаемого слоя при выращивании основных сельскохозяйственных культур (табл. 1.2).
Закономерность передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении
Внутрипочвенное орошение - один из способов регулирования водного режима почвы, при котором вода подается непосредственно в подпахотный слой к корням растений. Содержащаяся в почве влага обладает различной степенью подвижности, что определяет необходимость установления ее почвенно - гидрологических констант с уточнением степени доступности растениям. А.А. Роде считает, что изменение количественных показателей наличие почвенной влаги и некоторых других сопряжено изменением ее свойств и качественных показателей [233, 234]. В основу классификации почвенной влаги С. И. Долгов положил характеристику природы сил, преобладающих в обеспечении ее подвижности в различных интервалах влажности почвы.
По СИ. Долгову, в почве содержится влага в трех формах: сорбционная, которая передвигается и удерживается под действием преимущественно сил взаимодействия молекул воды с поверхностью, почвенных частиц; свободная - передвигающаяся и удерживаемая в почве под воздействием гравитационных или капиллярных сил; парообразная, которая передвигается в почве в виде водяного пара от мест с большей к местам с меньшей упругостью пара. Сорбционную форму почвенной влаги С. И. Долгов подразделяет на две категории - прочно и рыхло связанную, а свободную - на пять категорий: стыковую (капиллярно разобщенную), капиллярно подвижную, легко подвижную капиллярную, просачивающуюся и грунтовый поток [127]. В естественных условиях увлажнения запасы почвенной влаги формируются в результате совокупного длительного взаимодействия погоды, почвы и растений. Естественно, что они подвержены значительным изменениям во вре мени. Количественные показатели наличия и связанная с ним подвижность влаги в почве являются одним из наиболее важных факторов характеристики условий произрастания растений, формирования водного режима почвы. Различают адсорбированную гигроскопическую, пленочную, капиллярную, гравитационную, парообразную формы почвенной влаги. Адсорбированная влага удерживается силами взаимодействия молекул воды с поверхностью почвенных частиц и очень прочно связана с почвой. Для растений эта форма влаги недоступна. Эта влага не передвигается.
Однако более влажные комья почвы могут испарять в ненасыщенный воздух влагу, которая, насыщая воздух, может в свою очередь поглощаться более сухими почвенными комьями. Некоторые авторы (В.Г. Корнев, А.Ф. Лебедев, А.А. Черкасов и другие) к адсорбированной влаге относят и пленочную, образующуюся на частицах почвы поверх слоя гигроскопической воды путем конденсации паров из воздуха. Пленочная влага возникает также при контакте почвенных частиц со свободной водой. Максимальную молекулярную влагоемкость принято считать верхним пределом содержания пленочной влаги в почве [153,172,224,225]. По типу связи пленочная влага относится к категории рыхлосвязанной. Эта форма влаги труднодоступна растениям по двум причинам: силы, удерживающие влагу на почвенных частицах, настолько велики, что корни основных сельскохозяйственных культур способны всасывать пленочную влагу только из верхних слоев; чрезвычайно малая подвижность пленочной влаги не способна обеспечить требуемого притока воды к корневым волоскам. Снижение влажности на продолжительное время ниже максимальной молекулярной влагоемко-сти снижает урожай сельскохозяйственных культур. Капиллярные пространства заполняются капиллярной влагой, характеризующейся легкой доступностью для растений. Капиллярные мениски создают подвижность и возможность удержания влаги в почве длительное время. Глав ную роль при внутрипочвенном орошении играют эти свойства капиллярной влаги. Для внутрипочвенного орошения представляет интерес скорость распределения влаги в зоне влияния увлажнителей под действием капиллярных сил. Почва может удерживать влагу в капиллярно - подвешенном состоянии при увлажнении сверху, что имеет место при поверхностных поливах и дождевании. Песчаные почвы способны капиллярно удерживать воду в количествах, не превышающих определенный ограниченный объем. Скорости капиллярного распределения влаги вверх меньше по абсолютному значению, а также более резко затухают по мере увеличения объема впитываемой воды, в сравнении со скоростями распространения в стороны и вниз. Это соотношение капиллярного передвижения влаги создает определенные трудности увлажнения верхнего слоя почвы без потерь воды в нижние слои. На скорость капиллярного передвижения воды в почве оказывает некоторое влияние предполивная влажность почвы. При более высокой предполивной влажности скорость капиллярного передвижения влаги в почве увеличивается, но удельный расход воды на капиллярное передвижение во влажной почве меньше, чем в сухой. Легкодоступная растениям гравитационная влага находится преимущественно под действием сил тяжести. При орошении легко переходит в другие формы влаги, и прежде всего - в капиллярную. При внутрипочвенных напорах и поверхностных поливах влага в этой форме наблюдается в почве во время полива и последующие 1 -3 дня после полива. Значение гравитационной влаги при внутрипочвенном орошении очень мало.
При поверхностных поливах, просачивание и фильтрация гравитационной воды используются для распределения поливной нормы в почвенном профиле, а при внутрипочвенном орошении эти явления чаще имеют отрицательное значение, вызывающее увеличение потерь воды в нижнем слое почвы и поэтому стремятся ограничить фильтрацию из внутрипочвенных увлажнителей. При внутрипочвенном орошении допустима гравитационная вода в таких объемах, когда она легко переходит в капиллярную в пределах активного слоя почвы. В некоторых способах внутрипочвенного орошения техникой полива предусматривается частичное передвижение гравитационной влаги в почве вверх под гидростатическим напором, создаваемым в увлажнителях. Возможность передачи гидростатического напора в гравитационной воде способствует приближению к поверхности почвы верхней границы увлажнения, что необходимо для получения всходов сельскохозяйственных культур, а также расширяет границы увлажнения, что создает возможности для увеличения расстояний между увлажнителями и тем самым сокращает затраты на строительство систем внутрипочвенного орошения. При напорных поливах вокруг увлажнителей почва увлажняется до полной влагоемкости. После полива через 1-2 суток достигается примерно наименьшая влагоемкость, а затем за 10-20 суток идет медленное капиллярное рассасывание влаги более сухими участками почвы. В почвенном воздухе постоянно содержится парообразная влага.
При охлаждении насыщенного воздуха до определенной температуры содержащийся в нем водяной пар насыщает воздух до 100 %, а дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию водяных паров в виде росы. Температурой точки росы называется такая температура, до которой необходимо охлаждать влажный воздух, чтобы он стал насыщенным. В большинстве случаев атмосферный воздух имеет точку росы, превышающую температуру поверхности почвы, поэтому такой воздух иссушает почву, т.е. при соприкосновении с почвой насыщается. В тех случаях, когда точка росы атмосферного воздуха ниже температуры поверхности почвы, атмосферный воздух при соприкосновении с почвой охлаждается ниже своей точки росы, а избыток парообразной влаги конденсируется, увлажняя почву. Аналогичные явления происходят в глубине почвы при движении почвенного воздуха. Насыщенный парами воздух, передвигаясь в более холод
Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипоч-венном орошении
Вода является фактором, определяющим передвижение растворенных веществ в почвенном профиле к поверхности корней, а затем к побегам. Совершенно очевидно, что высота капиллярного поднятия зависит не только от интенсивности расхода из почвы, но также от скорости передвижения воды от поверхности питания капиллярной каймы к испаряющей поверхности. Первые попытки математического описания процесса передвижения влаги в ненасыщенных грунтах были предприняты в 1921 году Гарднером и Уидстоу. Исходя из учения о капиллярном потенциале Бэкингема [293], авторы свели математическую модель передвижения влаги к уравнению, аналогичному уравнению теплопроводности. Для одномерного движения оно имеет вид: где W - влажность;Д - коэффициент влагопроводности; t - время; х - координата. Уравнение (4.17) применялось многими авторами при решении задач о передвижении влаги в ненасыщенных грунтах. Экспериментальная проверка показала, что скорость впитывания и скорость продвижения фронта смачивания обратно пропорциональны корню квадратному из времени, что согласуется с решением уравнения (4.17). Однако распределение влажности, установленное экспериментально, существенно отличается от теоретического. 147 Несоответствие между теорией и экспериментом объясняется тем, что в действительности коэффициент влагопроводности не является постоянной величиной, а зависит от влажности, на что указали в свое время Клюте [313], Филип [316]. Поэтому уравнение (4.17) усложняется введением в него коэффициента влагопроводности, являвшегося функцией влажности. В результате приходят к уравнению (одномерному): (4.18) Остановимся несколько подробнее на выводе этого уравнения.
Оно получено из уравнения Дарси и уравнения неразрывности. Опыты Дарси по фильтрации сквозь пористые материалы показали, что объемная скорость потока и жидкости, полностью занимающей все поры материала пропорциональна градиенту гидравлического потенциала: где ц - вязкость; Кф - коэффициент фильтрации; Ф - гидравлический потенциал. Физический смысл уравнения Дарси применительно к ненасыщенным грунтам заключается в том, что скорость движения воды пропорциональна величине движущей силы, каковой является градиент потенциала. Минус (-) означает, что движение совещается в направлении, противоположном тому, в котором возрастает потенциал. Основная трудность применения формулы Дарси к потоку влаги в почве, ненасыщенной влагой, заключается в том, что коэффициент Кф является функцией влагосодержания почвы. Бэкингем [311] обобщил уравнение (4.19) и на случай движения влаги с неполным насыщением почвы, при этом он принимал, что Обоснование такого обобщения было дано Ричардсом [311], который считал, что присутствующий в порах воздух можно отвести к твердому поровому скелету. С этой точки зрения перовое пространство изменяется в зависимости от степени насыщения, и это изменение выражается формулой (4.20). Уравнение потока жидкости должно удовлетворять не только закону Дар-си, но и закону сохранения массы, который выражает тот факт, что количество жидкости, вытекавшей в единицу времени из некоторой замкнутой поверхности влечет изменение насыщенности внутри поверхности:
Подставляя а из уравнения (4.19) в (4.21),получим следующее уравнение потока влаги в почве: Полный гидравлический потенциал Ф состоит из: 1) гравитационного потенциала Z; 2) осмотического потенциала Q, который, вызван присутствием в почвенной влаге растворенных веществ; 3) каркасного или капиллярно-сорбционного М; 4) потенциала внешнего газового давления (или пневматического потенциала) А; 5) потенциала гидростатического давления Н. В почве, насыщенной влагой и не содержащей солей, потенциал почвенной влаги равен нулю. По мере иссушения почвы потенциал возрастает по абсолютной величине, но приобретает отрицательное значение, т.е. алгебраически уменьшается. При исследовании движения влаги осмотический потенциал во внимание не принимается ввиду его незначительности на незасоленных землях, а потенциал внешнего газового давления равен нулю, так как давление на поверхности почвы равно атмосферному. Тогда гидравлический потенциал будет равен: Подставляя значение потенциала в уравнение (4.22), получим: связывают с именем Клюта [313], и оно считается в настоящее время основным уравнением, описывающим передвижение влаги в ненасыщенной среде в вертикальном направлении. Уравнение (4.27) называют также уравнением диффузии. Но, как указывают Гарднер [311] и А.А.Роде [235], это не означает, что процесс передвижения влаги в ненасыщенных почвах полностью идентичен диффузии, которая является перемещением частиц в направлении меньшей их концентрации, обусловленным их тепловым движением. Передвижение влаги в почве обусловлено соответствующими силовыми полям. Имеются разноречивые мнения о том, насколько правильно это уравнение описывает действительный перенос влаги, многие авторы подтверждают его экспериментальными данными. Имеющиеся возражения сводятся к следующему.
Одно из возражений заключается в том, что теоретические профили влажности не соответствуют экспериментальным, то есть, не имеют резко выраженного фронта смачивания. Но это не совсем так. Если уравнение (4.17) ни при каких условиях не дает резко выраженного фронта смачивания, то уравнение диффузии (4.27) дает фронт смачивания. Наши расчеты показали, что форма профилей влажности зависит от исходной влажности грунта: при низкой влажности наблюдается резко выраженный фронт смачивания, а при высокой - плавный переход, что соответствует действительности. Нильсен, Биггар и Дэвидсон [315] подвергнув экспериментальной проверке уравнение (4.18), пришли к выводу, что указанным уравнением движение воды в почве описываться не может, и что допущения, лежащие в его основе о том, что поток пропорционален градиенту давления и подчиняется закону Дар-си, не оправдываются. Следует отметить, что названные авторы наблюдали расхождение между теоретическими и экспериментальными зависимостями при большом всасывающем давлении почвы, а при малом всасывающем давлении наблюдалось хорошее совпадение. Пек [94], повторив опыты трех названных исследователей, пришел к противоположному выводу: он утверждает, что уравнение (4.18) остается в силе. Однако Пек работал со сланцевой пылью, где сорбционные силы почти отсутствуют. А. Лиакопоулос [314] считает, что применение уравнения (4.18) для описания начальной стадии инфильтрации в среду с низким влагосодержанием неправомерно, так как числа Рейнольдса настолько велики, что выходят за пределы применимости закона Дарси. Лиакопоулос считает, что при малых t процесс передвижения влаги будет описываться уравнением гиперболического типа, которое со временем вырождается в параболический тип. В исследованиях этих авторов настойчиво проводится мысль о неприменимости уравнения диффузии для характеристики передвижения влаги при низкой начальной влажности грунта. Это заслуживает внимания, тем более, что Чайльдс, который ввел коэффициент диффузии пишет, что перераспределение влаги напоминает диффузию лишь после того, как почва промочена уже до наименьшей влагоемкости НВ (даже несколько больше этой величины).
Влияние конструкций увлажнителя на формирование контуров увлажнения
Характер процесса поступления воды в почву при внутрипочвенных поливах зависит не только от водно-физических свойств почв, но и в значительной мере определяется конструкцией внутрипочвенных увлажнителей и гидравлическим режимом их работы. Рассмотрим влияние конструкции увлажнителей на формирование контуров увлажнения. Для установления этих зависимостей мы провели несколько серий опытов на лабораторной и опытно-полевой установке. Были исследованы 3 конструкции увлажнителей. 1. Гончарные трубки длиной 333 мм, d=50 мм на свободнолежащих муфтах из толя шириной В = 0,1 м с противофильтрационным экраном В = 0,3 м. 2. Гончарные трубки длиной 333 мм, d=50 мм с противофильтрационным экраном В = 0,3 м из полиэтиленовой пленки и закрытые сверху плоской пленкой (5=0,25 м). 3. Полиэтиленовая трубка d = 40 мм, с перфорацией в виде круглых отверстий диаметром 1,5 мм и шагом 0,15 м с полнооборотным противофильтрационным экраном шириной 0,4 м, выполненным из полиэтиленовой пленки и имеющим односторонний водовыпуск. Рассмотрим результаты опытов.
При первом типе конструкции, форма смоченного контура увлажнения приближается к прямоугольной или круглой, несколько расширяющейся по горизонтали в нижней части контура, лежащей под увлажнителем, что обусловлено поступлением влаги сначала вверх и в стороны, потом вниз. Над увлажнителем по всей ширине его образуется водоносный слой, и величина его несколько меньше применяемого напора. Водоносный слой подпитывает капиллярную кайму, расположенную на его поверхности. Распределение влаги в капиллярной кайме проходит снизу вверх в сторону уменьшения. При уменьшении напора над осью увлажнителя от 0,6-0,5 м до 0,3-0,1 м происходит смещение центра увлажнения, а также уменьшение величины водоносного слоя относительно оси увлажнителя и, следовательно, перемещение его в более глубокие слои активного слоя почвы (0,3-1,2 м). Распределение влаги в верхних горизонтах (0-0,5 м) более равномерно происходит по периметру водоносного слоя. При 2-м и 3-м типе конструкции форма смоченного контура приближается к эллипсу, что обусловлено поступлением влаги, во-первых, в стороны, а затем - вверх и вниз. В остальном, процесс образования зоны насыщения и капиллярной каймы происходит как у конструкции 1-го типа. Смещение зоны насыщения зависит от напора, при уменьшении его до 0,3-0,1 м происходит смещение центра контура увлажнения ниже от оси увлажнителя. В результате исследований были выявлены следующие закономерности: 1.
Применение противофильтрационного экрана позволяет при меньших напорах (0,2-0,3 м) и при влажности (0,75-0,9 НВ) увеличить высоту капиллярного подъема влаги вертикально вверх и перемещение капиллярной каймы в горизонтальном направлении. Экран шириной 0,25-0,30 м позволяет увеличить расстояние между увлажнителями на его ширину и более, до 0,50 м; 2. При равных напорах противофильтрационный экран позволяет увеличить высоту капиллярного подъема влаги вертикально вверх на 0,05-0,10 м за счет аккумуляции гравитационной влаги на своей поверхности и образования водоносного слоя в зоне насыщения; Применение 2-й и 3-й конструкции, как и 1-й, при равных напорах позволяет увеличить размеры контура увлажнения как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Как уже отмечалось, распределение влаги, динамика влажности, величина и формы контуров увлажнения при ВПО имеют важное значение, т.к. это определяет основные параметры увлажнительной сети. Для определения размера и формы смоченного контура увлажнения в зависимости от пьезометрических напоров были исследованы 3 конструкции увлажнителей. Напоры при опытах не превышали 0,2-0,7 м. В первое время идет интенсивное увеличение контура увлажнения до тех пор, пока коэффициент впитывания не достигает постоянной величины при одновременной стабилизации расхода воды, поступающей из увлажнителя в почву. К этому времени увеличение контура увлажнения в горизонтальном (вверх) направлении прекращается и при дальнейшем продолжении полива идет увеличение контура увлажнения вертикально вниз в основном под действием сил гравитации, при весьма незначительном поднятии капиллярной каймы вертикально вверх (0,01-0,02 м/час). При увеличении напора от 0,7 м и более область увлажнения увеличивается незначительно, порядка 0,05-0,07 м горизонтальном направлении, но здесь возникает опасность суффозии грунта и выклинивание воды на поверхность почвы.
Следовательно, целесообразно применение противофильтрационного экрана. Контур увлажнения при напорном внутрипочвенном поливе у увлажнителей с экранам приближается к форме круга или эллипса, т.к. водоносный слой, расположенный над экраном, подпитывает капиллярную кайму по периметру. В первые 1-2 часа полива он вытянут только в вертикальном направлении (рис 5.1). Ширина контура увлажнения достигает 1,0-2,0 м в зависимости 186 от капиллярных свойств почв и конструктивных особенностей увлажнителей [51, 217, 222]. Кроме этого, есть возможность увлажнять почву до ее поверхности, не прибегая к другим
