Условия качественного орошения дождеванием
1.1 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СПОСОБОВ ОРОШЕНИЯ
В соответствии с международной классификацией выделяют следующие способы орошения: аэрозольное (мелкодисперсное) увлажнение, дождевание, поверхностное орошение, внутрипочвенное (включая капельное) орошение, подземное орошение (субирригация).
Как показывает опыт, ни один из указанных способов орошения не может быть рекомендован как универсальный и единственно возможный для всех условий (табл. 1.1). Выбор того или иного способа орошения обусловливается конкретными местными природными и хозяйственными условиями, опытом и традициями и, наконец, некоторыми конъюнктурными соображениями.
Правильный выбор способов орошения и техники полива (табл. 1.2) предопределяет эффективность орошения, так как от этого в значительной степени зависят режим орошения, урожайность сельскохозяйственных культур, производительность труда на поливе, объем планировочных работ, мелиоративное состояние орошаемого массива, конструкция и стоимость внутрихозяйственной сети, эксплуатационные затраты, себестоимость получаемой продукции и др.
Общая тенденция в рационализации способов и техники полива заключается в обеспечении регулирования влажности почвы и приземного слоя воздуха в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур при максимальном повышении качества полива, механизации и автоматизации его процесса и в экономном использовании водных, энергетических, трудовых и других ресурсов.
Особенности орошения дождеванием. Дождевание — наиболее механизированный способ орошения, способствующий внедрению высокой культуры производства, позволяющий полностью автоматизировать технологический процесс полива, повысить производительность труда. При дождевании увлажняются поверхностный активный слой почвы, растения и приземный воздух.
Успешному развитию орошения дождеванием способствуют:
Примечание. „+" - обеспечивает; „-" - не обеспечивает; X - частично обеспечивает.
Недостатки дождевания — большие затраты электроэнергии для создания необходимых рабочих давлений в дождевальных аппаратах; повышенная материало- и металлоемкость оросительных систем и дождевальных машин, дополнительные затраты труда и энергии на перемещение дождевального оборудования по орошаемому участку; отрицательное влияние ветра на качество дождя и равномерность полива.
1.2. СОСТАВ ПАРКА ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН
В нашей стране применяется дождевальная техника практически всех видов, известных в мировой практике (табл. 1.3). Наибольшее развитие получили широкозахватные многоопорные дождевальные машины кругового или фронтального перемещения, выполняющие полив в движении с забором воды из открытой или закрытой оросительной сети, для орошения крупных массивов (рис. 1.1) и автоматизированные дальнеструйные шпанговые дождевальные машины для орошения полосами.
Рис. 1.1. Типы многоопорных дождевальных устройств:
а - переносной разборный трубопровод («Радуга»); б - перекатываемый трубопровод позиционного действия с одной ведущей тележкой («Волжанка», «Ока»); вид - фронтальные самоходные машины со всеми ведущими колесами, работающие позиционно («Днепр») и в движении («Кубань-Л», «Таврия»); г - круговая самоходная машина, работающая в движении («Фрегат», «Кубань-ЛК», «Карусель») ; е - фронтальная самоходная машина с береговой схемой рабочего движения («Кубань»); 1 - гидрант; 2, 4, 5 и 11 - трубопроводы соответственно открытый, разборный, закрытый и шарнирный водопроводящий; 3,10,13 и 15 - дождевальные аппараты соответственно среднеструйный, концевой дальнеструйный секторного полива, двусопловой типа «сегнерово колесо» и короткоструйные секторного полива; 6 - опорное колесо; 7 и 8 - тележки - ведущая и с силовой установкой; 9 и 16 - опоры - неподвижная и центральная с двигателем и генератором; 12 - направляющее устройство автоматической системы вождения; 14 – канал.
В соответствии с международной классификацией выделяют следующие способы орошения: аэрозольное (мелкодисперсное) увлажнение, дождевание, поверхностное орошение, внутрипочвенное (включая капельное) орошение, подземное орошение (субирригация).
Как показывает опыт, ни один из указанных способов орошения не может быть рекомендован как универсальный и единственно возможный для всех условий (табл. 1.1). Выбор того или иного способа орошения обусловливается конкретными местными природными и хозяйственными условиями, опытом и традициями и, наконец, некоторыми конъюнктурными соображениями.
Правильный выбор способов орошения и техники полива (табл. 1.2) предопределяет эффективность орошения, так как от этого в значительной степени зависят режим орошения, урожайность сельскохозяйственных культур, производительность труда на поливе, объем планировочных работ, мелиоративное состояние орошаемого массива, конструкция и стоимость внутрихозяйственной сети, эксплуатационные затраты, себестоимость получаемой продукции и др.
Общая тенденция в рационализации способов и техники полива заключается в обеспечении регулирования влажности почвы и приземного слоя воздуха в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур при максимальном повышении качества полива, механизации и автоматизации его процесса и в экономном использовании водных, энергетических, трудовых и других ресурсов.
Особенности орошения дождеванием. Дождевание — наиболее механизированный способ орошения, способствующий внедрению высокой культуры производства, позволяющий полностью автоматизировать технологический процесс полива, повысить производительность труда. При дождевании увлажняются поверхностный активный слой почвы, растения и приземный воздух.
Успешному развитию орошения дождеванием способствуют:
- повышение коэффициентов земельного использования участка и полезного действия оросительной системы в результате использования закрытых трубопроводов;
- высокая степень механизации и автоматизации полива, возможность проведения ночных поливов;
- отсутствие густой сети открытых оросителей и, следовательно, более высокий уровень механизации всех сельскохозяйственных процессов на орошаемых полях;
- возможность орошения участков со сложным рельефом, неправильной конфигурации;
- экономное использование воды;
- подача строго заданных, в том числе и незначительных, поливных норм, отвечающих водно-физическим свойствам почвы;
- регулирование интенсивности и изменение крупности капель дождя;
- возможность регулирования глубины промачивания с учетом толщины пахотного слоя, глубины залегания уровня грунтовых вод, наличия просадочных пород и водопроницаемых почв;
- повышение влажности и снижение температуры приземного слоя воздуха;
- возможность проведения специальных поливов — предпосевных, послепосевных, противозаморозковых, удобрительных и т. д.
1.1. Основное назначение различных способов орошения
| Способ орошения |
Увлажнение |
Промывка от солей |
Внесение удобрений и гербицидов |
Орошение сточными водами |
Противо-заморозковое орошение |
Прово-кационные поливы для роста сорняков | ||
| почвы | воздуха | Влаго- зарядка | ||||||
| Аэрозольное Дождевание Поверхностное Внутри-почвенное Подземное |
- + + + + |
+ + X - — |
- X + X X |
- X + - — |
X + X + — |
- + + + — |
- + - - — |
- + + - — |
Примечание. „+" - обеспечивает; „-" - не обеспечивает; X - частично обеспечивает.
1.2. Условия применения различных способов орошения в неблагоприятных природно-климатических условиях.
| Способ орошения |
Засоленные почвы |
Легкие песчаные почвы |
Тяжелые почвы |
Сложный рельеф |
Большие уклоны |
Близко располо- женные минерали- зованные грунтовые воды |
Дефицит водных ресурсов |
Минерали- зованная поливная вода |
Силь- ный ветер |
| Аэрозольные Дождевание Поверх-ностное Внутри-почвенное Подземное |
Х Х + - - |
+ + Х Х - |
+ - + + + |
+ + Х Х - |
+ + Х + - |
Х - Х - - |
+ + Х + Х |
Х - Х - - |
+ - + + + |
Недостатки дождевания — большие затраты электроэнергии для создания необходимых рабочих давлений в дождевальных аппаратах; повышенная материало- и металлоемкость оросительных систем и дождевальных машин, дополнительные затраты труда и энергии на перемещение дождевального оборудования по орошаемому участку; отрицательное влияние ветра на качество дождя и равномерность полива.
1.2. СОСТАВ ПАРКА ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН
В нашей стране применяется дождевальная техника практически всех видов, известных в мировой практике (табл. 1.3). Наибольшее развитие получили широкозахватные многоопорные дождевальные машины кругового или фронтального перемещения, выполняющие полив в движении с забором воды из открытой или закрытой оросительной сети, для орошения крупных массивов (рис. 1.1) и автоматизированные дальнеструйные шпанговые дождевальные машины для орошения полосами.
1.3. Технические данные дождевальной техники.
| Марка дождевальной техники |
Расход воды, л/с |
Напор воды на гидранте, МПа |
Средняя интен- сив- ность дождя. мм/мин |
Средний диаметр капель воды, мм |
Производи- тельность за 1 ч чистой работы при поливной норме 600 м3/га, га/ч |
Масса машины, кг |
| ДДН-70 ДЦН-100 ДЦН-100С ДКШ-64 «Волжанка» ДКН-80 ДКГ-80 «Ока» ДШ-10 ДДС-30 ДЦА400МА ДФ-120 «Днепр» ДФС-120 ДМУ «Фрегат» «Кубань-Л» «Каравелла» ДМ «Таврия» КИ-50 «Радуга» ДШ-25/300 ДДПА-130/140 КСИД-10 |
65 115 120 64 90 80 17 30 130 120 120 28...90 200 140 200 40,5 26...30 130..140 |
0,52 0,65 0,65 0,40 0,55 0,50 0,78 0,80 0,37 0,45 - 0,65 - - - 0,79 0,30 0,30 |
0,4 0,32 0,4...0,6 0,244 0,31 0,155 5,3 1,4 4,6 0,24...0,28 - 0,31 1,5 - - 0,29 0,17 8,3 0,007 |
1,9...2,9 1,4...2,5 1,5 1,5 1,5 1,1 1,5 1,4 - 1,25 - - - - - До 1,5 - До 1,5 - |
0,39 0,70 0,67 0,38 0,54 0,48 0,06 0,18 0,78 0,73 0,70 0,54 1,20 0,84 1,20 0,29 0,18 0,78...0,85 10,0 (общая площадь полива) |
700 800 800 5420 4500 8000 2740 1770 10780 13347 14300 15000 40500 34200 - 5975 1200 4460 5485 |
Рис. 1.1. Типы многоопорных дождевальных устройств:
а - переносной разборный трубопровод («Радуга»); б - перекатываемый трубопровод позиционного действия с одной ведущей тележкой («Волжанка», «Ока»); вид - фронтальные самоходные машины со всеми ведущими колесами, работающие позиционно («Днепр») и в движении («Кубань-Л», «Таврия»); г - круговая самоходная машина, работающая в движении («Фрегат», «Кубань-ЛК», «Карусель») ; е - фронтальная самоходная машина с береговой схемой рабочего движения («Кубань»); 1 - гидрант; 2, 4, 5 и 11 - трубопроводы соответственно открытый, разборный, закрытый и шарнирный водопроводящий; 3,10,13 и 15 - дождевальные аппараты соответственно среднеструйный, концевой дальнеструйный секторного полива, двусопловой типа «сегнерово колесо» и короткоструйные секторного полива; 6 - опорное колесо; 7 и 8 - тележки - ведущая и с силовой установкой; 9 и 16 - опоры - неподвижная и центральная с двигателем и генератором; 12 - направляющее устройство автоматической системы вождения; 14 – канал.
1.3. ФАКТОРЫ КАЧЕСТВЕННОГО ПОЛИВА
Сущность технологического процесса, выполняемого дождевальными машинами независимо от их конструкции, заключается в заборе воды из источника, транспортировании ее до поля, дроблении на капли и распределении в виде дождя по орошаемой площади. Цель этого процесса - равномерное распределение поливной нормы по всей площади поливаемого участка без лужеобразования и поверхностного стока воды.
Качество полива характеризуется интенсивностью, размером капель, равномерностью распределения воды по орошаемому полю.
Интенсивностъ дождя. Различные технологии дождевания требуют рассмотрения нескольких видов интенсивности дождя.
Истинная (действительная) интенсивность дождя есть интенсивность дождя в точке на поверхности почвы. Она выражается отношением приращения слоя осадков к приращению времени: i = ∆h/∆t, мм/мин.
Для характеристики дождя, создаваемого дождевальными машинами, используют понятие средняя интенсивность - отношение среднего слоя осадков, выпавших на определенной площади, подвергшейся одновременному поливу, ко времени их выпадения: tср = hсрt, мм/мин.
Численное значение средней интенсивности дождя не зависит от скорости движения машины или вращения аппарата. Его определяют расчетом или экспериментально.
Среднюю интенсивность искусственного дождя учитывают при подборе дождевальной техники в соответствии с впитывающей способностью почвы орошаемого участка.
При использовании движущихся фронтальных дождевальных машин, поливающих за несколько проходов, определяют производственную интенсивность дождевания:
i = 60Q/(bL), мм/мин, где Q - расход воды, л/с; b - ширина захвата, мм; L - длина гона, м.
С увеличением длины гона производственная интенсивность дождевания пропорционально уменьшается.
Полив струйными дождевальными аппаратами оценивают также фиктивной (приведенной) интенсивностью дождя. Это интенсивность дождя по всей одновременно орошаемой площади круга или сектора: iф =120Q/(R2a), мм/мин, где Q расход воды, л/с; а - угол сектора, град; R - радиус орошения, м.
Использовать значение iф удобно потому, что его легко увязать со скоростью впитывания воды в почву.
Допустимая интенсивность дождя обеспечивает в данных условиях подачу требуемой нормы полива без образования стока воды на орошаемом участке. Она зависит от водопроницаемости почвы, способа дождевания (табл. 1.4), уклона поля, наличия растительного покрова, состояния верхнего слоя почвы (табл. 1.5) и от других факторов.
Во время полива в течение одного поливного сезона впитывающая способность почвы снижается.
Среднеэффективная интенсивность дождя - эта такая интенсивность, при которой в допустимых по агротехническим условиям пределах отклонений (± 25%) обеспечивается наибольший эффективный расход воды дождевальной машиной.
Крупность капель дождя. При свободном распаде струи воды, выпускаемой дождевальными аппаратами, образуются капли, размеры которых колеблются в широких пределах. При принудительном разрушении струй воды образуются капли значительно меньшего размера, чем при их свободном распаде.
Размер капель влияет на допустимую интенсивность дождя, потери воды на испарение, затраты энергии на образование капель и другие показатели.
По агротехническим требованиям до 90% капель должны быть диаметром не более 2 мм.
Средний диаметр наиболее крупных капель можно рассчитать с учетом известных конструктивно-технологических параметров дождевального аппарата: dк = K√dс/н0, где dк - диаметр капель, мм; К - эмпирический коэффициент, К = 25,5; dс - диаметр струи воды, мм; н0 - скорость истечения воды из сопла, м/с.
Средний диаметр основной массы получаемых капель примерно в 2 раза меньше рассчитанного по формуле.
Агротехническую применимость дождя можно охарактеризовать показателем H/d, то есть отношением напора воды (МПа) перед аппаратом к диаметру сопла (мм):
Равномерность полива. Равномерность распределения осадков по площади полива оценивают по графикам распределения их истинного слоя за полив при определенной интенсивности дождя.
На основе экспериментальных данных о распределении осредненной интенсивности дождя по площади строят частотный график. Максимуму вариационной кривой соответствует среднеэффективная интенсивность.
Вправо и влево от экстремальной точки откладывают абсциссы, равные соответственно 0,75 и 1,25 численного значения среднеэффективной интенсивности дождя, и строят соответствующие ординаты. На площади, ограниченной этими ординатами, осью абсцисс и вариационной кривой, полив будет эффективным, а за ее пределами — недостаточным и избыточным.
Качество полива оценивают коэффициентом эффективного полива — отношением эффективно политой площади к общей площади полива (по агротехническим требованиям значение этого коэффициента должно быть не менее 0,7), а также коэффициентами недостаточного и избыточного полива — отношение соответственно недостаточно (должно быть не более 0,15) и избыточно (должно быть не более 0,15) политой площади к общей площади полива.
Фактическая поливная норма. Наряду с показателем равномерности увлажнения поля важным показателем качества полива является фактическая поливная норма. Чем ближе ее значение к заданному, тем выше качество полива. По агротехническим требованиям допустимое отклонение фактической поливной нормы равно ±10% расчетной поливной нормы.
Поливная норма — это основной и наиболее сложный параметр техники полива, зависящий от биологических особенностей культур, фазы их развития, типа почв, гидрогеологических и других природных условий.
Фактическая поливная норма может быть меньше расчетной вследствие испарения воды в воздухе на 2...42%. С учетом уноса воды ветром фактическая поливная норма может составлять 65% расчетной. Значение фактической поливной нормы зависит от температуры и влажности воздуха, скорости ветра во время полива. Поэтому для достижения высокой эффективности полива необходима коррекция поливных норм на протяжении всей вегетации сельскохозяйственных культур.
Процессы испарения и уноса капель воды наиболее полно можно оценить коэффициентом напряженности метеорологических факторов: Ф = r(l - 0,01а)(н + l), где t - температура воздуха, град; а - относительная влажность воздуха, %; v - скорость ветра, м/с.
Потери воды на испарение и унос ветром при любом сочетании метеорологических факторов можно найти, используя данные таблицы 1.6. Например, при температуре воздуха t = 25 относительной влажности воздуха а = 40% и скорости ветра v = 5 м/с коэффициент напряженности метеорологических факторов Ф = 25 (1 - 0,01 • 40) (5 + 1) = 100.
При таком коэффициенте Ф потери воды на испарение и унос ветром при работе, например, дождевальной машины «Волжанка» составляют 27,2%.
Скорректированное значение поливной нормы Мк =100m/(100 – E).
При использовании дождевальных машин, которые подают поливную норму за несколько проходов (ДДА-100МА, «Кубань-Л»), дополнительно учитывают объем воды Vл, задерживающейся на листовой поверхности растений:
Объем Vл определяется числом проходов, длиной бьефа, скоростью движения дождевальной машины и временем полного испарения капель, осевших на листовую поверхность.
Для дождевальных машин, работающих позиционно («Золжанка», «Днепр», ДЦН-100), необходимо увеличивать продолжительность их стояния на одной позиции: Г =0,67mF/[(2 (100 – Е)], где Т - продолжительность стояния дождевальной машины на одной позиции, мин; т - расчетная поливная норма, м3га; F - площадь полива с одной позиции с учетом перекрытия площади полива с другой позиции, м2; Q - расход воды дождевальной машиной, л/с; E - потери воды на испарение и унос ветром, %.
При работе дождевальных машин, поливающих в движении с круговым перемещением («Фрегат», «Кубань-ЛК»), поливная норма зависит от скорости движения последней тележки. Ее определяют по числу ходов гидроцилиндра.
Скорректированная частота хщклов (число ходов гидроцилиндра в минуту) n = 5,5mmin(100-E)/(100m), где mmin - минимальная поливная норма дождевальной машины данной модификации, м3 /га; Е — потери оросительной воды на испарение, %; т - расчетная поливная норма, м3 /га.
Таким образом, учет потерь воды на испарение вносит существенные коррективы в значение фактической поливной нормы и сроки про¬ведения очередных поливов.
1.4. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЧВЫ НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
При поливе слабоводопроницаемых почв часто скорость впитывания влаги еще до окончания выдачи расчетной поливной нормы становится меньше средней интенсивности дождя. В результате этого на поле образуются лужи, возникает сток воды. Неравномерность увлажнения почвы влечет за собой неравномерное развитие растений. Кроме того, стекающая вода уносит растворимые питательные вещества, частицы почвы, что вызьщает поверхностную ирригационную эрозию полей, наносит большой ущерб их плодородию.
В результате многократных поливов большими нормами (до 700 м3/га), а также работы уборочной и пропашной техники значительно уплотняются пахотный и подпахотный слои почвы и, как следствие, снижается ее водопроницаемость.
При поливах структурные комочки почвы разрушаются, поры между ними заиливаются, образуется поверхностная корка, что вызывает нарушение газообмена и ухудшение условий деятельности микроорганизмов.
На орошаемых землях все виды обработки почвы следует увязывать с поливами.
Активный слой почвы. Это слой, где осуществляются основные биологические процессы, обеспечивающие развитие растений. В условиях орошения за глубину активного слоя принимают ту, в которой сосредоточено 90% всех корней растений:
В активном слое необходимо поддерживать среднюю влажность почвы 70...75 % полевой влагоемкости.
Корректировка элементов техники полива плотных почв. В аридной зоне при поливе многих сельскохозяйственных культур, возделываемых на тяжелых по механическому составу почвах, допустимая поливная норма до появления стока меньше расчетной. Скапливание на поверхности поля невпитавшейся воды и образование ирригационного стока можно исключить дополнительными агротехническими приемами, которые предотвратят возможные отрицательные агроэкологические последствия, особенно при внесении химмелиорантов с поливной водой.
Исходный критерий расчета водопоглотительных элементов - ожидаемый объем оросительной воды, не поглощенной почвой, которая может стать причиной интенсивного перемещения по поверхности поля ирригационного стока.
При поливе почва в общем виде увлажняется в результате инфлюкции, инфильтрации и фильтрации воды.
Инфлюкция - движение воды в поверхностном слое почвы преимущественно по трещинам и крупным порам. Инфильтрация - поступление и дальнейшее передвижение воды с поверхности в толщу почвы, при этом влага движется сплошным фронтом. Инфильтрация слагается из двух процессов: впитывания и фильтрации. Впитывание - прохождение воды через поверхность почвы. При дождевании различают безнапорное впитывание (под влиянием градиентов капиллярных сил) и напорное (под действием гидравлического напора). Фильтрация (просачивание) — дальнейшее передвижение впитывающейся воды капиллярным и гравитационным путем.
Интенсивность процессов инфлюкции, инфильтрации и фильтрации в слое почвогрунта определяется обобщающим показателем водопроницаемости (водопропускной способности) - свойства почвогрунта как пористого тела пропускать через себя воду. Количественно водопроницаемость выражается слоем воды, поступающей в почву через ее поверхность в единицу времени, то есть коэффициентом водопроницаемости. В координатах коэффициент водопроницаемости почвы" и продолжительность поглощения эта зависимость представляет собой плавную линию (рис. 1.2).
Динамичность впитывания воды почвой учитывает формула, предложенная А. Н. Костяковым, К = К0t-a, где К - коэффициент водопроницаемости почвы в текущий момент времени t; K0- коэффициент водопроницаемости почвы в первую единицу времени; а - коэффициент затухания скорости впитывания воды почвой.
На графике (см. рис. 1.2) площадь, ограниченная кривой впитывания и осями координат, соответствует всему поглощаемому при поливе объему воды. При этом если интенсивность подачи воды на протяжении всего полива будет равна интенсивности ее впитывания, то на поверхности поля вода не будет скапливаться.
При поливе дождеванием с заданной интенсивностью дождя i вся поступающая на поле вода впитывается в течение времени t1. Графически точка а находится на пересечении горизонтальной линии на уровне i с кривой впитывания. Для этих условий допустимая поливная норма до появления стока соответствует площади прямоугольника со сторонами i и t. При дальнейшем поливе с той же интенсивностью одна часть воды (площадь S2) будет впитываться, а другая (площадь 5б) может стать причиной ирригащюнного стока. Площадь S5 над прямоугольником соответствует неиспользованным потенщсальным возможностям почвы. Полив с той же интенсивностью дождя можно продолжать в течение времени f3, пока площадь S6 не станет равновеликой площади S5, то есть эрозионно допустимая поливная норма на графике не будет соответствовать площади прямоугольника со сторонами i и t2, после чего образуется неуправляемый ирригационный сток. Если в слое почвы создать водоудерживающие элементы для поглощения объема воды Q7, то возможный сток будет зарегулирован и за последующий период t4 вся вода впитается в почву.
Рис. 1.2. Графическая интерпретация поливных норм и их элементов.
Рис. 1.3. Блок-схема расчета техники элементов полива плотных почв.
Рис. 1.4. Изменение элементов поливных норм при различных исходных параметрах полива.
Рис. 1.5. Технологический граф возделывания кукурузы:
Щ - щелевание; Гспл - сплошное внесение гербицидов; Глен -ленточное внесение гербицидов.
Сущность технологического процесса, выполняемого дождевальными машинами независимо от их конструкции, заключается в заборе воды из источника, транспортировании ее до поля, дроблении на капли и распределении в виде дождя по орошаемой площади. Цель этого процесса - равномерное распределение поливной нормы по всей площади поливаемого участка без лужеобразования и поверхностного стока воды.
Качество полива характеризуется интенсивностью, размером капель, равномерностью распределения воды по орошаемому полю.
Интенсивностъ дождя. Различные технологии дождевания требуют рассмотрения нескольких видов интенсивности дождя.
Истинная (действительная) интенсивность дождя есть интенсивность дождя в точке на поверхности почвы. Она выражается отношением приращения слоя осадков к приращению времени: i = ∆h/∆t, мм/мин.
Для характеристики дождя, создаваемого дождевальными машинами, используют понятие средняя интенсивность - отношение среднего слоя осадков, выпавших на определенной площади, подвергшейся одновременному поливу, ко времени их выпадения: tср = hсрt, мм/мин.
Численное значение средней интенсивности дождя не зависит от скорости движения машины или вращения аппарата. Его определяют расчетом или экспериментально.
Среднюю интенсивность искусственного дождя учитывают при подборе дождевальной техники в соответствии с впитывающей способностью почвы орошаемого участка.
При использовании движущихся фронтальных дождевальных машин, поливающих за несколько проходов, определяют производственную интенсивность дождевания:
i = 60Q/(bL), мм/мин, где Q - расход воды, л/с; b - ширина захвата, мм; L - длина гона, м.
С увеличением длины гона производственная интенсивность дождевания пропорционально уменьшается.
Полив струйными дождевальными аппаратами оценивают также фиктивной (приведенной) интенсивностью дождя. Это интенсивность дождя по всей одновременно орошаемой площади круга или сектора: iф =120Q/(R2a), мм/мин, где Q расход воды, л/с; а - угол сектора, град; R - радиус орошения, м.
Использовать значение iф удобно потому, что его легко увязать со скоростью впитывания воды в почву.
Допустимая интенсивность дождя обеспечивает в данных условиях подачу требуемой нормы полива без образования стока воды на орошаемом участке. Она зависит от водопроницаемости почвы, способа дождевания (табл. 1.4), уклона поля, наличия растительного покрова, состояния верхнего слоя почвы (табл. 1.5) и от других факторов.
1.4. Допустимая интенсивность дождя при разных способах дождевания, мм/мин
| Почвы< /b> | Дождевание | |
| непрерывное | прерывистое | |
| Черноземы: легкосуглинистые средне- и тяжелосуглинистые Каштановые дерново-подзолистые и суглинистые Сероземы светлые среднесуглинистые |
0,8...1,0 0,5 ...0,8 0,4...0,6 0,3 ...0,5 |
0,30...0,35 0,22...0,27 0,12...0,20 0,07...0,15 |
1.5. Допустимая интенсивность дождя в зависимости от типа почвы, уклона поля и наличия растительного покрова (данные фирмы «Скипер»), мм/мин
| Почвы |
Уклон поля | |||||||
| до 0,05 |
0,05...0,08 |
0,08...0,12 |
более 0,12 | |||||
| с куль- турой |
без куль- туры |
с куль- турой |
без куль- туры |
с куль- турой |
без куль- туры |
без куль- туры |
с куль- турой | |
| Песчаные Песчаные, подстилаемые более плотной почвой Легкие супесчаные Легкие супесчаные, подстилаемые более плотной подпочвой Среднесуглинистые Среднесу глинистые, подстилаемые более плотной подпочвой Тяжелые суглинки и глины |
0,85 0,74 0,74 0,53 0,42 0,25 0,09 |
0,85 0,64 0,42 0,32 0,21 0,13 0,07 |
0,85 0,53 0,53 0,42 0,34 0,21 0,07 |
0,64 0,42 0,34 0,21 0,17 0,11 0,04 |
0,64 0,42 0,42 0,32 0,25 0,17 0,05 |
0,44 0,32 0,25 0,17 0,13 0,07 0,034 |
0,42 0,32 0,32 0,21 0,17 0,13 0,04 |
0,21 0,17 0,17 0,13 0,09 0,04 0,025 |
Во время полива в течение одного поливного сезона впитывающая способность почвы снижается.
Среднеэффективная интенсивность дождя - эта такая интенсивность, при которой в допустимых по агротехническим условиям пределах отклонений (± 25%) обеспечивается наибольший эффективный расход воды дождевальной машиной.
Крупность капель дождя. При свободном распаде струи воды, выпускаемой дождевальными аппаратами, образуются капли, размеры которых колеблются в широких пределах. При принудительном разрушении струй воды образуются капли значительно меньшего размера, чем при их свободном распаде.
Размер капель влияет на допустимую интенсивность дождя, потери воды на испарение, затраты энергии на образование капель и другие показатели.
По агротехническим требованиям до 90% капель должны быть диаметром не более 2 мм.
Средний диаметр наиболее крупных капель можно рассчитать с учетом известных конструктивно-технологических параметров дождевального аппарата: dк = K√dс/н0, где dк - диаметр капель, мм; К - эмпирический коэффициент, К = 25,5; dс - диаметр струи воды, мм; н0 - скорость истечения воды из сопла, м/с.
Средний диаметр основной массы получаемых капель примерно в 2 раза меньше рассчитанного по формуле.
Агротехническую применимость дождя можно охарактеризовать показателем H/d, то есть отношением напора воды (МПа) перед аппаратом к диаметру сопла (мм):
| Характеристика струи |
Показатель распада H/d |
| Сплошная струя, не распадающаяся на капли Слабое распадение струи на капли, непригодные для орошения Распадение струи на капли средней крупности, пригодные для орошения трав на лугах и пастбищах Распадение струи на более мелкие капли, пригодные для орошения сельскохозяйственных культур Распадение струи на мелкие капли, пригодные для орошения всех культур Распадение струи на очень мелкие капли, пригодные для орошения рассады самых нежных растений и цветов Мелкодисперсное распадение струи (туман) |
До 90 90…150 150...160 170…180 200...220 240...260 300 и выше |
Равномерность полива. Равномерность распределения осадков по площади полива оценивают по графикам распределения их истинного слоя за полив при определенной интенсивности дождя.
На основе экспериментальных данных о распределении осредненной интенсивности дождя по площади строят частотный график. Максимуму вариационной кривой соответствует среднеэффективная интенсивность.
Вправо и влево от экстремальной точки откладывают абсциссы, равные соответственно 0,75 и 1,25 численного значения среднеэффективной интенсивности дождя, и строят соответствующие ординаты. На площади, ограниченной этими ординатами, осью абсцисс и вариационной кривой, полив будет эффективным, а за ее пределами — недостаточным и избыточным.
Качество полива оценивают коэффициентом эффективного полива — отношением эффективно политой площади к общей площади полива (по агротехническим требованиям значение этого коэффициента должно быть не менее 0,7), а также коэффициентами недостаточного и избыточного полива — отношение соответственно недостаточно (должно быть не более 0,15) и избыточно (должно быть не более 0,15) политой площади к общей площади полива.
Фактическая поливная норма. Наряду с показателем равномерности увлажнения поля важным показателем качества полива является фактическая поливная норма. Чем ближе ее значение к заданному, тем выше качество полива. По агротехническим требованиям допустимое отклонение фактической поливной нормы равно ±10% расчетной поливной нормы.
Поливная норма — это основной и наиболее сложный параметр техники полива, зависящий от биологических особенностей культур, фазы их развития, типа почв, гидрогеологических и других природных условий.
Фактическая поливная норма может быть меньше расчетной вследствие испарения воды в воздухе на 2...42%. С учетом уноса воды ветром фактическая поливная норма может составлять 65% расчетной. Значение фактической поливной нормы зависит от температуры и влажности воздуха, скорости ветра во время полива. Поэтому для достижения высокой эффективности полива необходима коррекция поливных норм на протяжении всей вегетации сельскохозяйственных культур.
Процессы испарения и уноса капель воды наиболее полно можно оценить коэффициентом напряженности метеорологических факторов: Ф = r(l - 0,01а)(н + l), где t - температура воздуха, град; а - относительная влажность воздуха, %; v - скорость ветра, м/с.
Потери воды на испарение и унос ветром при любом сочетании метеорологических факторов можно найти, используя данные таблицы 1.6. Например, при температуре воздуха t = 25 относительной влажности воздуха а = 40% и скорости ветра v = 5 м/с коэффициент напряженности метеорологических факторов Ф = 25 (1 - 0,01 • 40) (5 + 1) = 100.
При таком коэффициенте Ф потери воды на испарение и унос ветром при работе, например, дождевальной машины «Волжанка» составляют 27,2%.
Скорректированное значение поливной нормы Мк =100m/(100 – E).
При использовании дождевальных машин, которые подают поливную норму за несколько проходов (ДДА-100МА, «Кубань-Л»), дополнительно учитывают объем воды Vл, задерживающейся на листовой поверхности растений:
Объем Vл определяется числом проходов, длиной бьефа, скоростью движения дождевальной машины и временем полного испарения капель, осевших на листовую поверхность.
Для дождевальных машин, работающих позиционно («Золжанка», «Днепр», ДЦН-100), необходимо увеличивать продолжительность их стояния на одной позиции: Г =0,67mF/[(2 (100 – Е)], где Т - продолжительность стояния дождевальной машины на одной позиции, мин; т - расчетная поливная норма, м3га; F - площадь полива с одной позиции с учетом перекрытия площади полива с другой позиции, м2; Q - расход воды дождевальной машиной, л/с; E - потери воды на испарение и унос ветром, %.
1.6. Потери оросительной воды на испарение и унос ветром при работе дождевальных машин (данные Ставропольского научно-исследовательского иститута гидротехники и мелиорации), %
| Дождевальные машины |
Расчетная формула |
Коэффициент напряженности метеорологических факторов | ||||||
| 20 |
40 | 60 |
80 | 100 |
120 | 140 | ||
| ДМ-454-100 «Фрегат» ДМ-454-70 «Фрегат» ДКШ-64 «Волжанка» ДДА-100МА Дальнеструйные |
Е = 0,206Ф0,81 Е = 0,51Ф0,65 Е = 2,26Ф0,54 Е = 0,35Ф0,82 Е = 8,75Ф0,22 |
2,4 3,6 11,4 4,1 16,9 |
4,1 5,7 16,6 7,2 19,7 |
5,7 7,4 20,6 10,0 21,5 |
7,2 8,0 24,1 12,7 22,9 |
8,7 10,3 27,2 15,9 24,1 |
10,1 11,6 30,0 17,7 25,1 |
11,4 12,9 32,6 20,1 26,0 |
При работе дождевальных машин, поливающих в движении с круговым перемещением («Фрегат», «Кубань-ЛК»), поливная норма зависит от скорости движения последней тележки. Ее определяют по числу ходов гидроцилиндра.
Скорректированная частота хщклов (число ходов гидроцилиндра в минуту) n = 5,5mmin(100-E)/(100m), где mmin - минимальная поливная норма дождевальной машины данной модификации, м3 /га; Е — потери оросительной воды на испарение, %; т - расчетная поливная норма, м3 /га.
Таким образом, учет потерь воды на испарение вносит существенные коррективы в значение фактической поливной нормы и сроки про¬ведения очередных поливов.
1.4. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЧВЫ НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
При поливе слабоводопроницаемых почв часто скорость впитывания влаги еще до окончания выдачи расчетной поливной нормы становится меньше средней интенсивности дождя. В результате этого на поле образуются лужи, возникает сток воды. Неравномерность увлажнения почвы влечет за собой неравномерное развитие растений. Кроме того, стекающая вода уносит растворимые питательные вещества, частицы почвы, что вызьщает поверхностную ирригационную эрозию полей, наносит большой ущерб их плодородию.
В результате многократных поливов большими нормами (до 700 м3/га), а также работы уборочной и пропашной техники значительно уплотняются пахотный и подпахотный слои почвы и, как следствие, снижается ее водопроницаемость.
При поливах структурные комочки почвы разрушаются, поры между ними заиливаются, образуется поверхностная корка, что вызывает нарушение газообмена и ухудшение условий деятельности микроорганизмов.
На орошаемых землях все виды обработки почвы следует увязывать с поливами.
Активный слой почвы. Это слой, где осуществляются основные биологические процессы, обеспечивающие развитие растений. В условиях орошения за глубину активного слоя принимают ту, в которой сосредоточено 90% всех корней растений:
| Культуры, фазы развития |
Глубина активного слоя, м |
| Зерновые: кущение трубкование Сахарная свекла: укоренение развитие листьев образование корнеплодов Кукуруза: до выбрасывания метелки после "-- " Капуста, огурцы, лук Томаты, картофель, корнеплоды: укоренение максимальное развитие Многолетние травы Садов и виноградников Ягодников |
0,4…0,5 0,6 ..1,0 0,3...0,4 0,6...0,7 0,8...1,0 0,5...0,8 0,8...1,0 0,3...0,6 0,3...0,4 0,5...0,7 0,8...1,0 0,8...1,5 0,4...0,6 |
В активном слое необходимо поддерживать среднюю влажность почвы 70...75 % полевой влагоемкости.
Корректировка элементов техники полива плотных почв. В аридной зоне при поливе многих сельскохозяйственных культур, возделываемых на тяжелых по механическому составу почвах, допустимая поливная норма до появления стока меньше расчетной. Скапливание на поверхности поля невпитавшейся воды и образование ирригационного стока можно исключить дополнительными агротехническими приемами, которые предотвратят возможные отрицательные агроэкологические последствия, особенно при внесении химмелиорантов с поливной водой.
Исходный критерий расчета водопоглотительных элементов - ожидаемый объем оросительной воды, не поглощенной почвой, которая может стать причиной интенсивного перемещения по поверхности поля ирригационного стока.
При поливе почва в общем виде увлажняется в результате инфлюкции, инфильтрации и фильтрации воды.
Инфлюкция - движение воды в поверхностном слое почвы преимущественно по трещинам и крупным порам. Инфильтрация - поступление и дальнейшее передвижение воды с поверхности в толщу почвы, при этом влага движется сплошным фронтом. Инфильтрация слагается из двух процессов: впитывания и фильтрации. Впитывание - прохождение воды через поверхность почвы. При дождевании различают безнапорное впитывание (под влиянием градиентов капиллярных сил) и напорное (под действием гидравлического напора). Фильтрация (просачивание) — дальнейшее передвижение впитывающейся воды капиллярным и гравитационным путем.
Интенсивность процессов инфлюкции, инфильтрации и фильтрации в слое почвогрунта определяется обобщающим показателем водопроницаемости (водопропускной способности) - свойства почвогрунта как пористого тела пропускать через себя воду. Количественно водопроницаемость выражается слоем воды, поступающей в почву через ее поверхность в единицу времени, то есть коэффициентом водопроницаемости. В координатах коэффициент водопроницаемости почвы" и продолжительность поглощения эта зависимость представляет собой плавную линию (рис. 1.2).
Динамичность впитывания воды почвой учитывает формула, предложенная А. Н. Костяковым, К = К0t-a, где К - коэффициент водопроницаемости почвы в текущий момент времени t; K0- коэффициент водопроницаемости почвы в первую единицу времени; а - коэффициент затухания скорости впитывания воды почвой.
На графике (см. рис. 1.2) площадь, ограниченная кривой впитывания и осями координат, соответствует всему поглощаемому при поливе объему воды. При этом если интенсивность подачи воды на протяжении всего полива будет равна интенсивности ее впитывания, то на поверхности поля вода не будет скапливаться.
При поливе дождеванием с заданной интенсивностью дождя i вся поступающая на поле вода впитывается в течение времени t1. Графически точка а находится на пересечении горизонтальной линии на уровне i с кривой впитывания. Для этих условий допустимая поливная норма до появления стока соответствует площади прямоугольника со сторонами i и t. При дальнейшем поливе с той же интенсивностью одна часть воды (площадь S2) будет впитываться, а другая (площадь 5б) может стать причиной ирригащюнного стока. Площадь S5 над прямоугольником соответствует неиспользованным потенщсальным возможностям почвы. Полив с той же интенсивностью дождя можно продолжать в течение времени f3, пока площадь S6 не станет равновеликой площади S5, то есть эрозионно допустимая поливная норма на графике не будет соответствовать площади прямоугольника со сторонами i и t2, после чего образуется неуправляемый ирригационный сток. Если в слое почвы создать водоудерживающие элементы для поглощения объема воды Q7, то возможный сток будет зарегулирован и за последующий период t4 вся вода впитается в почву.
Рис. 1.2. Графическая интерпретация поливных норм и их элементов.
Рис. 1.3. Блок-схема расчета техники элементов полива плотных почв.
Рис. 1.4. Изменение элементов поливных норм при различных исходных параметрах полива.
Таким образом, после обоснования оптимальной поливной нормы, рассчитанной на программируемую урожайность, ее надо сравнить с численным значением бесстоковой, рассчитанной для конкретных почвенных условий (рис. 1.3). Если оптимальная поливная норма больше бесстоковой, то рассчитьшают эрозионно допустимую норму и опять сравнивают ее с оптимальной. При эрозионно допустимой норме меньше номинальной рассчитывают слой возможно не впитавшейся воды ∆m1 и слой возможного ирригационного стока ∆m2.
Рассчитанные значения mб, mэ.д, ∆m1 и ∆m2 являются основой при обосновании технологических параметров предполивной обработки почвы: ∆m1 - глубина сплошной обработки почвы, ∆m2 - технологические параметры противоэрозионных элементов на поле.
Фактические условия, складываюищеся при поливе светло-каштановых почв нормами 30...60 мм при изменяемой интенсивности дождя (K0 = 1 мм/мин, а = 0,6) и исходной водопроницаемости (К0 == 0,6), для уровней интенсивности 0,2 и 0,4 мм/мин приведены на рисунке 1.4.
Технологии и технические средства обработки почвы. Интенсификация технологических операций, увеличение их числа в орошаемом земледелии приводят к уплотнению почвы на глубину активного слоя и глубже. С целью уменьшения в этих условиях числа рабочих проходов сельскохозяйственных агрегатов используют рабочие органы с совмещенными операциями, комбинированные рабочие органы, агрегаты.
Рассчитанные значения mб, mэ.д, ∆m1 и ∆m2 являются основой при обосновании технологических параметров предполивной обработки почвы: ∆m1 - глубина сплошной обработки почвы, ∆m2 - технологические параметры противоэрозионных элементов на поле.
Фактические условия, складываюищеся при поливе светло-каштановых почв нормами 30...60 мм при изменяемой интенсивности дождя (K0 = 1 мм/мин, а = 0,6) и исходной водопроницаемости (К0 == 0,6), для уровней интенсивности 0,2 и 0,4 мм/мин приведены на рисунке 1.4.
Технологии и технические средства обработки почвы. Интенсификация технологических операций, увеличение их числа в орошаемом земледелии приводят к уплотнению почвы на глубину активного слоя и глубже. С целью уменьшения в этих условиях числа рабочих проходов сельскохозяйственных агрегатов используют рабочие органы с совмещенными операциями, комбинированные рабочие органы, агрегаты.
Рис. 1.5. Технологический граф возделывания кукурузы:
Щ - щелевание; Гспл - сплошное внесение гербицидов; Глен -ленточное внесение гербицидов.
Многовариантность технологии возделывания пропашных культур, связанную с конкретными организационно-технологическими условиями производственных предприятий, их ресурсообеспеченностью, можно показать с помощью технологических графов.
Граф возделывания кукурузы по различным вариантам предпосевной культивации (сплошной, с одновременным нарезанием направляющих щелей, со сплошной обработкой почвы гербицидами), посева (по направляющим щелям, с ленточным внесением гербицидов), культивации почвы в междурядьях с использованием стандартных рабочих органов в различном их сочетании показан на рисунке 1.5. Междурядные обработки почвы согласовывают с поливами, внесением удобрений и т. п.
Рис. 1.6. Типы рабочих органов для сплошной обработки почвы.
Основная обработка почвы в условиях орошаемого земледелия может быть поверхностной (до 20 см), глубокой (20 см и более) и комбинированной, сочетающей сплошную обработку с локальным рыхлением почвы глубже сплошной ее обработки (рис. 1.6). Комбинированную сплошную обработку почвы рекомендуется выполнять перед поливами большими нормами (влагозарядковыми, промывными и др.). При этом зоны полного рыхления почвы заполняются поливной водой в режимах инфлюкции и инфильтрации. В последующем скопившаяся вода фильтруется через боковые стенки и нижние горизонты активного слоя почвы, обеспечивая их увлажнение.
Контрольные вопросы и задания. 1. Обоснуйте наиболее целесообразный способ орошения кормовых, зерновых или других культур для региона размещения вашего хозяйства. 2. Назовите преимущества орошения дождеванием основных сельскохозяйственных культур в вашем хозяйстве. 3. Каков состав парка дождевальных машин в вашем регионе? Назовите их технические данные. 4. Проанализируйте факторы качественного орошения дождеванием применительно к почвенно-климатическим условиям региона расположения вашего хозяйства. 5. Рассчитайте фактическую поливную норму при возделывании одной из зерновых, кормовых, овощных культур при поливе дождевальными машинами Фрегат, Волжанка или ДДН. 6. Какие приемы и технические средства наиболее эффективны для предполивной обработки почвы с целью предотвращения появления стока при поливе в вашем хозяйстве?
Граф возделывания кукурузы по различным вариантам предпосевной культивации (сплошной, с одновременным нарезанием направляющих щелей, со сплошной обработкой почвы гербицидами), посева (по направляющим щелям, с ленточным внесением гербицидов), культивации почвы в междурядьях с использованием стандартных рабочих органов в различном их сочетании показан на рисунке 1.5. Междурядные обработки почвы согласовывают с поливами, внесением удобрений и т. п.
Рис. 1.6. Типы рабочих органов для сплошной обработки почвы.
Основная обработка почвы в условиях орошаемого земледелия может быть поверхностной (до 20 см), глубокой (20 см и более) и комбинированной, сочетающей сплошную обработку с локальным рыхлением почвы глубже сплошной ее обработки (рис. 1.6). Комбинированную сплошную обработку почвы рекомендуется выполнять перед поливами большими нормами (влагозарядковыми, промывными и др.). При этом зоны полного рыхления почвы заполняются поливной водой в режимах инфлюкции и инфильтрации. В последующем скопившаяся вода фильтруется через боковые стенки и нижние горизонты активного слоя почвы, обеспечивая их увлажнение.
Контрольные вопросы и задания. 1. Обоснуйте наиболее целесообразный способ орошения кормовых, зерновых или других культур для региона размещения вашего хозяйства. 2. Назовите преимущества орошения дождеванием основных сельскохозяйственных культур в вашем хозяйстве. 3. Каков состав парка дождевальных машин в вашем регионе? Назовите их технические данные. 4. Проанализируйте факторы качественного орошения дождеванием применительно к почвенно-климатическим условиям региона расположения вашего хозяйства. 5. Рассчитайте фактическую поливную норму при возделывании одной из зерновых, кормовых, овощных культур при поливе дождевальными машинами Фрегат, Волжанка или ДДН. 6. Какие приемы и технические средства наиболее эффективны для предполивной обработки почвы с целью предотвращения появления стока при поливе в вашем хозяйстве?
