УДК 631.6

УДК 631.6
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ПОЧВЫ ПРИ ПОЛИВЕ ПО БОРОЗДЕ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЕРФОРИРОВАННОГО ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ
Ю.Я. Гольцов
ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, г. Москва, Россия
Оптимальное увлажнение почвы может быть достигнуто при поливе по тупой
борозде с плёночным покрытием, в котором отверстия перфорации расположены по
откосам борозды. Рассматривается математическое моделирование предлагаемой
технологии.
Получена зависимость для расчета расхода поливной струи.
The optimum humidifying of ground can be achieved at the water application on blunt
furrow with a film covering in which apertures of punching are located on slopes furrow. Here
we consider the mathematical model of it technology.
Dependence for calculation of the charge of an irrigation jet is received.
Водный режим почв при орошении, в отличие от богары, поддаётся регулированию с
помощью различных технологий полива, сроков их проведения, величины поливных
норм, глубины увлажнения, дренированности [1], но вместе с тем зависит от почвенногидрологических условий, мощности и механического состава почвенно-грунтовой
толщи, глубины залегания грунтовых вод. Наиболее важная особенность регулируемости
водного режима - это создание оптимальных запасов влаги в активном слое почвы и
поддержания их в период вегетации в соответствии со стадией развития
сельскохозяйственной культуры и учетом требований водосбережения и экологии.
Поливы по борозде, один из способов поверхностных поливов, отличает
неравномерность увлажнения почвы, неэкономичное расходование оросительной воды,
смыв и засоление почвы, низкая производительность труда и т.д., что отражается и на
экологической обстановке [2, 3], но, несмотря на это, они получили основное
распространение в орошаемом земледелии.
Цель данной работы – предложить технологию полива по борозде, обеспечивающей
продуктивное оптимальное увлажнение почвы вдоль борозды, используя пленочное
перфорированное покрытие поливной борозды c привлечением математического
моделирования. Оптимальное увлажнение при поливе по борозде предполагает
увлажнение расчетного слоя почвы до верхнего порога влажности вдоль борозды, а
продуктивное [4] определяет минимальные потери поливной воды.
Применение перфорированного пленочного покрытия [5, 6] при поливе по борозде
решает часть обозначенных проблем. Применение пленочного покрытия, позволяет, в
отличие от капельного или подпочвенного орошения, обеспечить сплошное, но
неравномерное и, тем более, неоптимальное увлажнение активного слоя почвы по длине
борозды. Перфорированное пленочное покрытие борозды представляет собой полосы
полиэтиленовой пленки с отверстиями. Ширина полос, укладываемых в начале
вегетационного периода в нарезанные борозды, равна ширине междурядий. В [5, 6]
сделаны несколько спорные рекомендации по пленочному покрытию борозды как по его
перфорации, так и по его укладке – в каждую или через борозду. Перфорированное
покрытие рекомендуется укладывать в каждую борозду, и, следовательно, полив
проводится по каждой борозде [5]. Полив проводится через (дополнительную) борозду и
перфорированное покрытие, тем самым, укладывается в поливаемую борозду [6].
Неполиваемая борозда, в этом случае, позволяет культивациями поддерживать
междурядье в рыхлом состоянии, обеспечивая тем самым благоприятный
воздухогазообмен в корневой зоне почвы.
Математическое моделирование предоставляет возможность провести широкий
теоретический анализ рассматриваемых физических явлений и дать оценку результатов
проводимых исследований, в нашем случае при поливе по борозде с перфорированным
пленочным покрытием. Естественно, при этом вместо реального явления, с отражением
основных, качественных сторон, рассматривается его упрощение, но допускается, в то же
время, относительно простое математическое описание. Эффективность математической
модели обосновывается сравнением результатов, полученных с помощью модели, с
экспериментальными данными. В зависимости от цели исследования,
один и тот же фактор может являться основным и учитываться или второстепенным
и отбрасываться. Такой подход осуществлен в работах [7, 8] при математическом
моделировании полива по борозде c пленочном перфорированным покрытием, где
основной целью являлось исследования процесса инфильтрации и влияния перфорации
пленочного покрытия на этот процесс. Полив проводится через борозду
(дополнительную), с подачей воды в борозду с покрытием. В обеих работах не
рассматривается движение поливной воды в самой борозде, которое можно описать,
например, уравнениями Сен-Венана. В основе математической модели лежит уравнение
типа Ричардса, описывающее движения воды в неполно насыщенных средах
W
 
Η   
Η 
H   

K(W)

K(W)

Κ(W)
,
(1)
y  z 
x  y 
z 
t
x 
где W(ψ) – влажность почвы, дол. д; H = - ψ - z – гидравлический напор, м; ψ( x, y ,z, t) –
капиллярный потенциал, м; K(W) – коэффициент влагопроводности, м/сут; x, y, z –
пространственные координаты, м; t – время, сут.
При математическом моделировании полива по борозде считается обязательным
учет фактора «рельефности» борозды. В нашем случае, поверхность борозды
рассматривается синусоидальной формы, которая, как и диаметр отверстий перфорации, в
настоящей статье не обсуждается. Необходимые для расчета зависимости по
водоудерживанию и влагопроводности взяты из [9], а испарение на поверхности почвы
принимается согласно [10].
Определим граничные условия для уравнения (1), рассматривая расчетный фрагмент
борозды длиной Ly (колонка почвы) (рис.1), полностью отражающего, в силу симметрии и
принятой технологии полива через борозду и открытия, происходящие процессы в
почве. Заполнение борозды поливной водой во времени имитирует, но, естественно, не
полностью отражает, реальный процесс движения поливной воды в самой борозде:
снизу, на глубине z (нижняя граница) на плоскости xy, принимается условие
аналогично [9, 11];
на всех, определяющих боковые границы
колонки почвы, вертикальных плоскостях, в силу
симметрии,
принимается
условие
непроницаемости;
на синусоидальной поверхности борозды 11’-2-2’-3-3’ (постоянно открытой части дополни
тельной борозды)
при осадках (испарении)
задается условие
H(x,y,z,t)
K(W)
(2)
11'  2 2' 33'  Qsurf (x,y,z,t) ,
n
где n – вектор, направленный вовнутрь колонки
Рис. 1
почвы и перпендикулярный к касательной плоскости синусоидальной поверхности борозды; Qsurf(x,y,z,t) – величина потока, м/сут.;
на части поверхности борозды 3-3’-4-4’-5-5’, покрытой перфорированной пленкой,
считается, за исключением отверстий, отсутствие потока;
на отверстиях перфорации, при их «затоплении», принимается условие напора,
равное превышению уровня воды в борозде над уровнем соответствующего отверстия, в
противном случае принимается условие (2).
Начальные значения влажности почвы в зоне неполного насыщения определяются
положением уровня грунтовых вод на начало расчета.
Уравнение (1) решается методом конечных разностей. Сетка неравномерная по всем
координатам. По вертикали, в зоне борозды, шаг сетки z составляет 0,01 м, далее по
глубине шаг увеличивается. По оси 0x (ширина колонки по профилю борозды равна
ширине междурядья Lx) шаг х, выбирается, чтобы оптимально вписаться в форму кривой
поверхности борозды и выдержать «диаметр» перфорации. По длине борозды (ось 0y) шаг
сетки выбирается с учетом перфорации пленочного покрытия. Шаг сетки, «содержащий»
отверстие равен его диаметру ≈ 0,01м.
Одним из факторов регулирования увлажнения почвы является степень перфорации
D пленочного покрытия, которая определяется количеством отверстий на метр длины
покрытия и их расположением на нем по глубине на откосах борозды с учетом её уклона.
Для расчета объёма инфильтрации из борозды с пленочным перфорированным
покрытием используется зависимость потока воды по Дарси, записанная в конечных
разностях, в силу решения уравнения (1) методом конечных разностей. Например,
величина потока воды в почве q(xi, yi, zi+, tj) в момент времени tj через нижнюю грань
площадью ∆xi ·∆yi произвольного блока i, с координатами его центра в точке (xi , yi , zi), в
блок
i +1 равен
q( xi , yi , zi , t j )  2xi yi
( H ( xi , yi , zi 1 , t j )  H ( xi , yi , zi , t j ))
,
zi 1
zi

K ( xi , yi , zi 1 , t j ) K ( xi , yi , zi , t j )
(3)
где ∆xi, ∆yi – шаги сетки по соответствующим координатным осям, м;
Н(xi, yi, zi, tj),
K(xi, yi, zi, tj) – сеточные функции, соответственно, для гидравлического напора и
коэффициента влагопроводности на момент времени tj, значения которых относятся к
центру блока. Собирая все входящие и выходящие потоки для пограничного блока,
представляющего отверстие перфорации, за расчетный промежуток времени ∆tj получим
объем инфильтрации через данное отверстие, и далее, суммируя, за весь расчетный
период (время полива).
Выше отмечено, что полив по бороздам с перфорированным пленочным покрытием,
обеспечивает сплошное, но неравномерное увлажнение почвы вдоль борозды. Изменяя
степень перфорации пленочного перфорированного покрытия, можно осуществить
регулирование водного режима почвы, смягчить неравномерность её увлажнения вдоль
борозды, сделать его относительно равномерным. Конечно, надо всегда иметь в виду
условность применяемых терминов. Даже при самых совершенных условиях полива,
например, лабораторных, трудно обеспечить «точное регулирование». Приходиться
создавать резервные запасы влаги в почве. В момент прекращения подачи поливной воды,
часть объема в борозде, от уровня наполнения до отверстий перфорации первого уровня
на откосах, при инфильтрации и обеспечит этот дополнительный запас.
Предлагаемая математическая модель содержит только уравнение движения влаги в
почве, не привлекая уравнений движения поливной воды в борозде. Упрощение
математической модели связано с предлагаемой технологией полива по тупой борозде с
пленочным покрытием борозды, не имеющим отверстий перфорации по дну борозды.
Перфорация покрытия расположена только на откосах борозды с некоторой её глубины с
учётом её уклона. Полив проводится с сосредоточенной или рассредоточенной подачей
расхода по длине борозды. При подаче воды в борозду и её заполнении до первого уровня
перфорации, расположенной на откосах борозды, инфильтрация в почву отсутствует.
Поверхность воды в тупой борозде, достигая первый уровень перфорации, принимает
горизонтальное положение. Упрощая фактор времени добегания фронта поливной воды,
будем считать одновременным подключение отверстий перфорации на инфильтрацию по
всей длине борозды.
Критерием оценки водного режима расчетного слоя почвы [4] является выполнение
неравенства
│Wi,j,k j– WТ│≤ ε,
(4)
j
где Wi,j,k – влажность расчетного блока с координатами его центра в точке (xi ,yi ,zi) в
момент времени tj принадлежащего расчетному слою почвы; WТ – порог влажности как
нижний, так и верхний, в наибольшей мере отвечающий требованиям регулируемого типа
водного режима почвы; ε >= 0.
За расчетный слой почвы может быть принят активной слой. Мощность активного
слоя, в котором расположена основная масса (90 %) корней растений, меняется
(увеличивается) во времени от посева до поспевания и уборки.
При выполнении условия (4), производится сброс воды из борозды. Объем сброса
равен объему борозды (поливной воды в ней) от дна до первого уровня перфорации
пленочного покрытия.
Степень перфорации D пленочного покрытия, определяя длину расчетного
фрагмента Ly, вычисляется в результате численного эксперимента методом
последовательных приближений. Следует иметь в виду, что для достижения оптимального
увлажнения степень перфорации D не определяется однозначно. Расчетный фрагмент
(колонка почвы) борозды по её длине выбирается, исходя из «картины» перфорации
пленочного покрытия. Расположение отверстий перфорации пленочного покрытия на
боковых откосах борозды предполагает их повторяемость (периодичность) по длине
борозды c периодом
2 · Ly. Расчеты показали, что расположение отверстий перфорации
одного уровня в пределах длины Ly при выбранной степени перфорации D, не влияет на
объём инфильтрации.
Примеры расчета. Рассматривается технология полива через борозду. Междурядье
равно 0,6 м. Борозда тупая, её глубина 0,2 м. Отверстия перфорации расположены по
высоте, начиная с глубины 0,05 м в плоскостях у = const, то есть, расположены по откосам
борозды в одной плоскости, определяя длину периода Ly. Следует заметить, что при
данной технологии полива исключен смыв почвы.
Начальное положение уровня грунтовых вод в почвогрунте равно 2,5 м во всех
расчетах. Расчетный слой, для которого должно выполняться условие (4), выбирается до
глубины z = 0,7 м.
Выберем два уровня перфорации, отверстия которых расположены, соответственно,
на глубине 0,05 и 0,08 м с интервалом 2 · Ly = 0,13 м, определяя степень перфорации D =
16. Наполнение борозды до уровня 0,1 м за 1 сутки, приводит к выполнению условия (4)
для расчетного слоя почвы только вдоль борозды покрытой перфорированной пленкой.
Повышение уровня поливной воды в борозде до 0,12 м за тот же период времени
(1
сут.), что достигается увеличением расхода поливной струи, получаем, при D = 16,
увеличение объема инфильтрации на 20 % – с 70,66 м3/га до 84,63 м3/га. С уменьшением
длины Ly до 0,05 м D = 20 (расстояние между отверстиями перфораций по длине борозды
составляет 2 · Ly = 0,1 м, сохраняя их расположении на уровнях 0,05 м и 0,08 м), получаем
увеличение объема инфильтрации до 117,72 м3/га. При времени полива на 1,2 сут, объем
инфильтрации достигает величины 137,93 м3/га, что приводит к выполнению условия (4).
На рис. 2 показаны эпюры влажности этого варианта расчета, где сечение а) отражает
увлажнение почвы на начало расчета одинаковое по вертикали для всего фрагмента
(колонки почвы). Поскольку задача пространственная, сечения b), c), d), e) в полной мере
отражают (транспирация не учитывается) состояние увлажнения почвы, а именно: b –
сечение у = 0,005 м, содержит отверстия перфорации; с – сечение x = 0,055 м, по дну
покрытой борозды; d – сечение у = 0,05 м; e – сечение x = 0,005 м, по дну вдоль
открытой борозды.
Глубинный сброс
отсутствует (рис. 2),
что
говорит
о
продуктивности
использования воды.
После прекращения
подачи воды, объем
воды в борозде от
уровня наполнения
борозды 0,12 м до
первого уровня перфорации 0,05 м, увеличит запас влаги.
Сброс остатка воды не учитывается.
Ниже в таблице приведены значения общего объема инфильтрации Q (м3/га) и его
составляющих – через отверстия первого уровня Q1 (м3/га) и через отверстия второго
уровня Q2 (м3/га). Время полива T (сут) определяет время заполнения борозды до уровня
0,1 м, а Т1 (сут) – время поддержания этого уровня. При этом D = 20 м. Время Т2 – время
подключения (на инфильтрацию) отверстия второго уровня (0,08 м) равно 0,91 сут от
начала полива. Wmin (дол. ед) и Wmax (дол. ед) представляют, соответственно,
минимальное и максимальное значение влажности в слое почвы 0,7 м.
Таблица 1
Номер
расчета
1
2
3
4
Т
Т1
Q
Q1
Q2
Wmin
Wmax
1
1
1
1
0
0,2
0,4
0,6
84,71
134,59
180,68
224,39
69,22
93,95
117,13
139,24
15,48
40,64
63,55
85,15
0,383
0,419
0,436
0,446
0,454
0,471
0,479
0,485
Расход поливной струи qструи можно рассчитать, без учета испарения с поверхности
воды в борозде, по зависимости
Q  QБ
qструи 
,
T  T1
где
QБ – объём воды в борозде до уровня 0,1 м, при рассредоточенной подаче воды
qструи равна сумме расходов всех рассредоточенных источников.
В варианте 4 табл. 1, для тупой борозды длиной 50 м, при её заполнении до отметки
0,1 м за Т = 1 сут. и Т2 = 0,6 сут., расход поливной струи составляет 0,095 л/сек.
Для достижения оптимального увлажнения почвы по длине борозды, можно
предложить:
степень перфорации D = 10, один уровень перфорации (0,05), уровень воды в борозде
0,1 м, Ly = 0,05 м. Увеличивая время Т1, то есть в общем увеличивая время полива, можно
добиться выполнения условия (4), табл. 2.
Таблица 2
Номер
расчета
Т
Т1
Q
Wmin
Wmax
1
2
3
4
5
6
1
1
1
1
1
1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
72,68
105,80
137,80
168,97
199,51
229,57
0,379
0,396
0,408
0,415
0,420
0,424
0,435
0,443
0,448
0,452
0,455
0,458
переменную перфорацию по длине борозды, в том числе, например, располагая её по
дну борозды, обеспечивающую одинаковый объём инфильтрации на единицу длины
борозды в зависимости от времени добегания фронта поливной воды. При этом, после
выполнения условия (4), нет необходимости проводить сброс воды, её инфильтрацию
обеспечит отверстия по дну борозды.
Библиографический список
1. Козин М.А. Водный режим почвы и урожай. – М.: Колос, 1977. 303 с.
2. Терпигоров А.А. Механизированная технология полива по бороздам для повышения
устойчивости орошаемых агроландшафтов. /Материалы международной научнопрактической конференции. – М.: МГУП, 2006. 558 с.
3. Григоров М.С., Федосеева В.А. Сравнительные достоинства различных способов
полива. /Доклады международной научно-практической конференции. – Минск, 2007.
С. 109-112.
4. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник. /Под ред. Б.Б.Шумакова.
– М.: Колос, 1999. 432 с.
5. Апальков С.А. Полив по бороздам с применением пленочного перфорированного
покрытия. Автореф. дисс…. канд. техн. Наук. – Новочеркасск, 2004. 25 с.
6. Безбородов Ю.Г., Экологически безопасная технология орошения пропашных культур.
/Материалы
Центрально-Азиатской
международной
научно-практической
конференции. – Алматы, 2003. С. 314-316.
7. Гольцов Ю.Я., Поливная борозда. I. Математическое моделирование водного режима
почвогрунта (плоская задача) при поливе по борозде с применением
перфорированного покрытия. «Экологическое состояние природной среды и научно
практические аспекты современных мелиоративных технологий»: Сб.науч.тр. –
Рязань: Мещерский ф-л ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008. Вып. 3. С. 140147.
8. Голованов А.И. Прогноз водно-солевого режима и расчет дренажа на орошаемых
землях. Автореф. дис….д-ра техн. наук. – М.: МГМИ, 1975. 307 с.
9. Будаговский А.И. Испарение почвенной влаги. – М.: Наука, 1964. 244 с.
10. Рекс Л.М., Якиревич А.М. Методика расчета тепловлагосолепереноса в насыщенных и
ненасыщенных грунтах с помощью ЭВМ. Моделирование гидрогеохимических
процессов и научные основы гидрогеохимических прогнозов. – М.: Наука, 1985. 152 с.