Аналитический подход к определению параметров контура увлажнения почвы на основе решения уравнения влагопереноса

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

УДК 631.674.4

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА УВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ

УРАВНЕНИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА

ANALYTICAL APPROACH ТО SOIL WOISTENING CONTOUR PARAMETRES DOFINITION BASED ON MOISTURE TRANSPORTATION EQUATION SOLUTION

Е.П. Боровой, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Е.А. Ветренко, кандидат технических наук, доцент

ФГОУВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

Е.Р. Borovoj, Е.А. Vetrenko

Volgograd state agricultural academy

Получены аналитические зависимости для нахождения параметров контура увлажнения почвы при ВПО. Рассмотрен вопрос решения уравнений влагопереноса с учетом интенсивности отбора влаги корнями растений и неоднородности почвогрунта. Проведен сравнительный анализ теоретических и практических значений параметров контура увлажнения при локальном внутрипочвенном орошении яблоневого сада.

Analytical dependences are get to find soil moistening contour parameters at intersoil irrigation. Moisture transportation equation solution question is examined taking into account plants ‘root moisture withdrawal activity and soil theoretical and practical values of moistening contour parameters during apple-tree orchard local intersoil irrigation is given in the article.

Ключевые слова: контур увлажнения, уравнение влагопереноса, транспирация.

Key words: moistening contour, moisture transportation equation, transpiration.

Внутрипочвенное орошение представляет собой один из перспективных и экологически безопасных способов полива. Однако недостаточная изученность теоретических основ процесса влагопереноса при ВПО сдерживает темпы развития и широкого применения этого способа полива в сельскохозяйственном производстве. Важным вопросом при ВПО является вопрос исследования закономерностей формирования контура увлажнения почвы.

В связи с этим, нами были проведены исследования по изучению закономерностей передвижения влаги при ВПО в ненасыщенных почвогрунтах с целью получения аналитических зависимостей для расчета параметров контура увлажнения почвы.

На основе обобщенного закона Дарси математическая модель передвижения влаги в ненасыщенных почвогрунтах имеет вид [ 1 ]:

dW _ д f dW^ д

(

D>

д(„ дК ^/ТТГ .

* -Fpr-w-')-

где Ш - объемная влажность почвы; Г)х, Г), Г)г - коэффициенты диффузии почвенной влаги в

направлении координатных осей х,у,г соответственно; К(\¥) - коэффициент влагопроводности; Р(Ш,х,у,г) -функция, учитывающая отбор влаги корнями растений, испарение с поверхности почвы и т.д.; I - время.

Решение уравнения влагопереноса (1) представляет большие трудности, поэтому данную задачу сводят к рассмотрению двух одномерных уравнений передвижения влаги в вертикальном и горизонтальном направлениях, которые соответственно имеют следующий вид:

ИГ=й ( ( ’^

дЖ д ( дЖЛ

Для решения уравнений (2), (2’) необходимо знать зависимость коэффициента диффузии В(\У) от влажности, а также функцию отбора влаги корнями растений.

Гарднером было установлено, что зависимость коэффициента диффузии от влажности может быть описана экспонентой:

в

где Р - параметр, характеризующий почву; 1)0 - коэффициент диффузии при начальной влажности Ж0 .

Параметры ¡3,1)Г1 можно найти, зная водно-физические свойства исследуемого почвогрунта, по формулам Л.Е. Чернышевской:

Р =

1

- 1п

зК-^о)

3,5

1

^о =

КФР^

1-

/ \ 3

ж

V л /

-ж ж-ж*

* л

3,5 ,

1

+ 2- 0

ш

о

Ж,

где Жп - полная влагоемкость, УУ 0 - начальная влажность, УУ - максимальная молекулярная влагоемкость,

Кф - коэффициент фильтрации, Р0 - капиллярное давление при влажности равной максимальной молекулярной влагоемкости.

Неоднородность сложения почвогрунта предлагается учитывать путем изменения значений коэффициента диффузии В(\У), а, следовательно, и его параметров /?, /)Г1. Значения коэффициента диффузии следует изменять в зависимости от рассмотрения законов передвижения влаги в горизонтальном направлении, вертикально вверх или вертикально вниз. При этом формулы (4), (5) остаются без изменений, но водно-физические характеристики почвы следует усреднять не по всей толще расчетного слоя почвы, а только с учетом свойств и мощности тех слоев, в которых происходит влагоперенос исследуемого направления.

На основе «макроскопического» подхода к моделированию функции отбора влаги корнями растений в случае ВПО, можно считать, что эта функция имеет вид [3]:

Жп-1

¡У

= аЕ

Т :

где Ет —удельная транспирация, т.е. скорость транспирации на единицу объема почвы; ОС - параметр, зависящий от характеристик корневой системы, влажностных свойств почвы, выбранной модели процесса и т.д.

Удельную транспирацию находим в расчете на планируемую урожайность с] т/га, используя среднее значение транспирационного коэффициента изучаемой сельскохозяйственной культуры. Если коэффициент транспирации равен А, то величина средней за вегетативный период транспирации составит [4]:

где у - плотность воды; И - глубина распространения корневой системы, м; 1- продолжительность периода

вегетации, сут.

Так как интенсивность отбора влаги корнями растений в пределах контура увлажнения выше, чем за его пределами, то представляется целесообразным ввести коэффициент, учитывающий неравномерность данного процесса. При этом функцию Р(г,\У,1;) представим в виде:

где И — глубина расчетного слоя, т.е. распространения основной массы корневой системы; £верт -полученная глубина распространения контура увлажнения.

Аналогично,

где 1) - оптимальное значение ширины контура увлажнения; Е, гор - полученная ширина контура увлажнения.

Оптимальное значение контура увлажнения определяется исходя из необходимой для создания благоприятного водного режима орошаемой площади питания растений, предусматривающей проведение водосберегающего полива.

Таким образом, с учетом зависимостей (3)-(5), (8), (8’) находим решение уравнений влагопереноса (2), (2’) методом осреднения функциональных поправок. В случае вертикального передвижения влаги вверх и вниз это решение имеет соответственно вид:

Адекватность предложенных моделей и расчетных формул реальному процессу влагопереноса в ненасыщенных почвогрунтах при ВПО оценивалась путем сравнения рассчитанных по полученным зависимостям значений параметров контура увлажнения с полученными экспериментальными данными (табл. 3). К исследованию была принята конструкция системы локального внутрипочвенного орошения, построенная в существующем шестилетнем яблоневом саду. Внутрипочвенные полиэтиленовые увлажнители диаметром 40 мм заложены на расстоянии 1,2 м только с одной стороны от ряда деревьев и состоят из чередующихся перфорированных и неперфорированных участков, длина которых соответственно 1,2 и 2,8 м. Перфорированные участки с

ъ

аі і

Т ,

верш

гор

= +

(ДК + ИаЕт)-^-т

_________

Л-И'оМ

В случае горизонтального влагопереноса получаем зависимость:

перфорацией в виде круглых отверстий диаметром 1,5 мм и шагом 0,15 м расположены в зоне размещения основной массы корней деревьев симметрично относительно штамба. Для уменьшения потерь воды на глубинную фильтрацию и увеличения ширины контура увлажнения использовался полнооборотный противофильтрационный экран шириной 0,4 м, выполненный из полиэтиленовой пленки и имеющий односторонний водовыпуск, направленный в сторону расположения ряда деревьев.

Таблица 3 - Сравнение расчетных и экспериментальных параметров контура увлажнения почвы

Размеры контура увлажнения, м Расчетные Экспериментал ьные Относительна я погрешность вычислений 8,%

Ж0 = 65%НВ^ - 19ч.

Верхняя полуось, а1 0,36 0,37 2,7

Нижняя полуось, а2 0,94 0,97 ЗД

Правая полуось, Ъх 0,89 0,84 6,0

Левая полуось, Ь2 0,95 0,945 0,5

Ж0 = 75%ЯВ,7 = 13ч.

Верхняя полуось, а1 0,33 0,345 4,3

Нижняя полуось, а2 1,035 0,98 5,6

Правая полуось, Ъх 1,015 0,94 7,9

Левая полуось, Ь2 1,07 1,03 3,9

Ж0 = 85%НВ^ - 1ч.

Верхняя полуось, а1 0,26 0,285 8,8

Нижняя полуось, а2 1,11 1,14 2,6

Правая полуось, Ъх 1,01 0,92 9,8

Левая полуось, Ь2 1,055 1,015 3,9

Анализ показал, что полученные эмпирические значения достаточно хорошо согласуются с расчетными теоретическими. Относительная погрешность вычислений составила 0,5...9,8 % и является допустимой для приближенных расчетов элементов режима и техники внутрипочвенного орошения.

Таким образом, полученные зависимости (9), (10) позволяют определить границы распространения контура увлажнения в вертикальном и горизонтальном направлениях, что дает возможность рассчитать элементы техники и режима наиболее рационального ресурсосберегающего полива при ВПО.

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА

Библиографический список

1. Гостшцев, Д.П. Математическое моделирование влагопереноса при внутрипочвенном орошении [Текст] / Д.П. Гостшцев, Ю.С. Рогозина // Мелиорация и водное хозяйство: Обзорн. информ. / ЦБНТИ Минводстроя СССР.-М., 1990.-С. 3-6.

2. Голованов, А.И. Математическая модель переноса влаги и растворов солей в почвогрунтах на орошаемых землях [Текст] / А.И. Голованов, О.С. Новиков // Сб. науч. тр. МГМИ. - М., 1974. Т.36. - С. 87-94.

3. Шех Сук Газван. Численно-аналитические расчеты водносолевого режима при орошении[Текст]: автореферат кандид. дисс./ Шех Сук Газван. - Киев, 1992.

4. Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем [Текст] / Под ред. Н.Н. Веригина. -М.: Колос, 1970.-С. 157-159.

E-mail: kuznetsova-gidro.@ mail.ru