Введение к работе
Актуальность темы исследования. В «Стратегии научно-
технологического развития Российской Федерации», утвержденной Указом Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642, отмечается, что «В ближайшие 10-15 лет приоритетами научно-технологического развития РФ следует считать те направления, которые позволят получить научные и научно-технические результаты … и обеспечат … переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству». Возделывание корнеклубнеплодов на капельном орошении в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья обеспечивает стабильность высокопродуктивных урожаев, сохранение плодородия, предотвращает иссушение почв агроландшафтов, создает условия для накопления азота и сохранения гумусового слоя почвы. Мелкодисперсное орошение позволяет регулировать фито-климат растений, особенно при интенсивной солнечной радиации, высоких температурах воздуха и суховеев, а также совмещать орошение с внесением микро- и макроэлементов, снижая антропогенную нагрузку на почвы.
В то же время, остаются недостаточно изученными вопросы оптимизации параметров и режимов комбинированного (капельное + мелкодисперсное) орошения различных культур в зоне сухих степей Нижнего Поволжья. Поэтому разработка и оптимизация параметров комбинированного орошения корнеклубнеплодов на основе моделирования процессов влагопереноса является актуальной проблемой для эффективного использования водных ресурсов и получения стабильных высокопродуктивных урожаев.
Степень разработанности проблемы.
Теоретические и прикладные вопросы капельного орошения освещены в монографиях и статьях отечественных ученых Борового Е.П., Бородычева В.В., Бо-чарникова В.С., Городничева В.И., Григорова М.С., Григорова С.М., Дубенка Н.Н., Капустина Н.Ф., Кирейчевой Л.В., Кравчука А.В., Кружилина И.П., Курба-нова С.А., Лытова М.Н., Новикова А.Е., Овчинникова А.С., Ольгаренко В.И., Пронько Н.А., Сергиенко А.В., Снежко Э.К., Сухарева Ю.И., Туманян А.Ф., Тю-тюмы Н.В., Ускова И.Б., Шуравилина А.В., Щедрина В.Н., Щербакова В.А., Якушева В.В., Якушева В.П., Ясониди О.Е. и др.
Математическое моделирование процессов влагопереноса исследовалось в работах Алексашенко А.А., Ахмедова А.Д., Вдовина Н.И., Власюка А.П., Гости-щева Д.П., Голованова А.И., Денисова Е.П., Добрачева Ю.П., Рекса Л.М., Рогаче-ва А.Ф., Фальковича А.С., Храброва М.Ю., Цветковой Т.П., Шеина Е.В., Шкуры В.Н., Шумакова Б.Б., Мыкайылсой Ф. (Турция) и др.
Проблемам моделирования параметров контуров капельного увлажнения почв посвящены исследования Азарьевой И.И., Ахмедова А.Д., Бородычёва В.В., Бочарникова В.С., Васильева С.М., Гаджиева М.К., Завадского Д.О., Обумахова Д.Л., Овчинникова A.С., Олейника А.М., Пронько Н.А., Торбовского В.И., Фаль-ковича А.С., Храброва М.Ю., Шкуры B.Н., Штанько А.С., Ясониди О.Е. и других ученых.
Разработки новых перспективных ресурсосберегающих технических средств представлены в патентах и публикациях российских исследователей Абе-
зина В.Г., Бондаренко А.Н., Васильева С.М., Майера А.В., Ольгаренко И.В., Пындака В.И., Салдаева А.М., Семененко С.Я., Храброва М.Ю., Щедрина В.Н. и др.
Эффективность орошения может быть существенно увеличена использованием информационных технологий и технико-экономической оптимизации, в том числе в управлении мелиорации, описанных в публикациях Болотина А.Г., Бородычева В.В., Бочарникова В.С., Гагарина А.Г., Захарченко Н.С., Иванова П.В., Остапчика В.П., Корсака В.В., Пронько Н.А., Юрченко И.Ф и др.
В то же время, требуется разработка математических моделей новых технологий, описывающих процессы пространственного влагопереноса при комбинированном орошении.
Цель исследования – обоснование ресурсосберегающих параметров комбинированного орошения корнеклубнеплодных культур на основе математического моделирования процессов влагопереноса в условиях Нижнего Поволжья.
Задачи исследований:
- разработать математическую модель процессов влагопереноса при комби
нированном орошении;
выполнить экспериментальное исследование водно-физических свойств почв и параметров влагопереноса на светло-каштановых почвах;
экспериментально получить сравнительные параметры водопотребления при капельном и комбинированном орошении для культур, возделываемых на светло-каштановых почвах в условиях Нижнего Поволжья;
- разработать методику моделирования поля влажности на основе численно
го решения дифференциальных уравнений влагопереноса при комбинированном
орошении, с учетом расположения капельниц и увлажнителей;
разработать информационную технологию управления водным режимом сельскохозяйственных культур для различных способов орошения, типов почв и природных условий;
выявить тенденции развития техники и технологии комбинированного орошения и разработать новые более совершенные технические решения.
получить оценку энергетической эффективности комбинированного орошения на примере возделывания корнеклубнеплодов.
Научная новизна.
Обоснована структура и разработана математическая модель влагоперено-са в форме дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая водно-физические процессы при комбинированном орошении.
Определены оптимальные параметры режимов комбинированного и капельного орошения на примере картофеля и столовой свеклы в условиях Нижнего Поволжья.
Установлены закономерности водопотребления при комбинированном орошении с учетом фаз развития на примере корнеклубнеплодных культур, позволяющих научно обосновывать рациональное использование водных ресурсов.
Разработана информационная технология для управления водным режимом сельскохозяйственных культур при различных способах орошения с учетом агрофизических типов почв и природных условий.
Разработаны перспективные направления совершенствования гидромелиоративных технологий и технических средств комбинированного орошения сельскохозяйственных культур. Новизна разработанных технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов определяется тем, что разработанные методические подходы вносят вклад в теорию математического моделирования гидромелиоративных процессов, позволяя создавать математические модели, описывающие процессы влагопереноса при комбинированном орошении. Результаты исследований позволяют теоретически обосновать параметры и эффективность комбинированного орошения в условиях Нижнего Поволжья, при этом разработанные математические модели могут быть положены в основу инженерной методики проектирования режимов комбинированного орошения. Прикладное значение исследований определяется тем, что разработанные новые технические и технологические решения позволяют практически доказать экономическую и агроэнергетическую эффективность комбинированных способов полива, обеспечивающих ресурсосбережение и стабильность урожаев в засушливых условиях Нижнего Поволжья.
Методология и методы исследования. Методология теоретического исследования основана на построении математической модели в виде дифференциальных уравнений в частных производных и её исследования методами компьютерного моделирования.
Использованы следующие частные методы: построение математической модели влагопереноса в форме дифференциальных уравнений (ДУ) с частными производными, учитывающей водно-физические свойства почв, тепло- и влаго-обеспеченность агроценозов и биологические особенности растений; исследование полученных ДУ средствами компьютерного моделирования в плоской и пространственной постановках в среде Mathcad для различных конфигураций корневой системы растений; экспериментальные и лабораторные исследования процессов влагопереноса по фазам развития растений. Надежность полученных результатов обусловлена факторным планированием и статистической обработкой трёхлетних полевых опытов по методике Б.А. Доспехова; статистической проверкой адекватности регрессионных моделей по критерию Фишера и значимости её коэффициентов по критерию Стьюдента; проверкой результатов математического моделирования с использованием лабораторного стенда для физического моделирования процессов влагообмена в почвогрунте.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель в форме дифференциальных уравнений в частных производных и методика исследования влагопереноса при комбинированном орошении, учитывающая водно-физические свойства почв;
математическое описание водно-физических характеристик почв и геометрические показатели контуров увлажнения, позволяющие обосновать технологические параметры для рационального использования воды;
экспериментально обоснованные технологические параметры (условие проведения МДД и поливные нормы с учетом развития корневой системы) и показатели водопотребления корнеклубнеплодов (оросительные нормы по фазам разви-
тия, коэффициент водопотребления) по вариантам опытов при проведении комбинированного орошения;
методика численного компьютерного моделирования влагопереноса в среде Mathcad для двумерного поля влажности для различных конструктивных параметров и геометрии расположения увлажнителей при комбинированном орошении, а также методика оптимизации параметров капельниц с учетом конфигурации контура увлажнения;
информационная технология на основе имитационной модели развития растения в условиях орошения для управления водным режимом и структура реляционной базы данных (БД), а также компьютерная программа для расчета гидродинамических параметров струи при мелкодисперсном дождевании;
- выявлены тенденции развития комбинированного орошения (ресурсосбе
режение, оптимизация технологических параметров) и разработаны новые техни
ческие решения;
- модель оптимизации возделывания различных сельскохозяйственных куль
тур на капельном и комбинированном орошении, позволяющая оптимизировать
распределение ресурсов по критерию энергетической эффективности с учетом
доли комбинированного орошения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования подтверждается использованием фундаментальных подходов и методов, включая ДУ влагопереноса, а также математического и компьютерного моделирования; экспериментальной проверкой рекомендуемых технологий и режимов орошения корнеклубнеплодов с использованием репрезентативных выборок согласно методике полевого опыта (по Б.А. Доспехову) и стандартных методов статистической обработки (Statistica v.10), высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, приемлемыми результатами апробации в производственных условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ в 2006 – 2017 гг., научно-практическая конференция «Вопросы рационального использования водных ресурсов в мелиоративном комплексе АПК России» (Новочеркасск, 2017), «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологические устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» (Рязань, 2016), международной научной конференции «» (Москва, 2015), IV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки» (Москва, 2014), Научно-методической конференции "Аграрное образование: традиции, новации, качество" (Москва, 2014), Всероссийской научно-практической конференции посвященной 75-летию ФГУП НИПИ гипром-сельстрой «Актуальные проблемы проектирования объектов АПК России» (Саратов, 2007), на международных и всероссийских научно-практических конференциях в Волгоградском ГАУ (Волгоград, 2004-2015); Российском НИИ проблем мелиорации (Новочеркасск, 2016); EURASIANGIS2018 (Азербайджан, 2018) и др. Аналитические подходы и элементы математического моделирования разрабатывались в рамках выполнения гранта РФФИ №15-46-02566 «Математическое моде-
лирование и совершенствование института налоговых механизмов для обеспечения экологической безопасности Волгоградского региона с учетом межотраслевых экстерналий» в 2015-16 гг.
Результаты исследований внедрены в КФХ «Выборнов В.В.» Ленинского района, КФХ «Гуренко М.В.» Дубовского района, Волгоградской области, ГНУ ВНИИГИМ им. А.Н. Костякова (Москва), Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий- филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения» РАН; методические рекомендации по составлению математических моделей в учебный процесс ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, ВолгГТУ.
Публикации результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 53 печатных работах, в том числе 16 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ общим объемом 6,5 п. л. из них 3,7 п. л. автора, получено 7 патентов на изобретения и полезные модели, зарегистрированы 6 программ для ЭВМ и БД. Общий объем публикаций составляет 25,6 п. л., в том числе автора – 17,4 п. л.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 349 страницах текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, 120 рисунков, 47 таблиц и 4 приложения. Библиография включает 302 наименования, в том числе 38 на иностранных языках.