ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства На правах

ФГОУ ВПО
Московский государственный университет природообустройства
На правах
рукописи
УДК 631.6
МАХМУД МОХАМЕД АЛИ АБДЕЛЬ АЗИМ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА
КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ ПЛОДОВЫХ
КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ЕГИПТА
Специальность 06.01.02 – мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание степени
кандидата технических наук
МОСКВА 2010
1
Работа выполнена на кафедре мелиорации, рекультивации и охраны земель ФГОУ ВПО
«Московского государственного университета природообустройства».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Голованов Александр Иванович
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
(ФГОУ ВПО МГУП)
Официальные оппоненты:
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Шуравилин Анатолий Васильевич
(ФГОУ ВПО “Российский университет дружбы народов”)
кандидат технических наук, доцент
Рыбкин Владимир Николаевич
(ФГОУ ВПО “ Московский государственный университет
природообустройства ”)
Ведущая организация: Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева
Защита состоится «____»_________ 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19 (1 учебный корпус, аудитория. 201).
Тел./факс: 8(495) 976-10-46.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».
Автореферат диссертации размещен «04» марта 2010 года на официальном сайте ФГОУ
ВПО МГУП по адресу: http://www.msuee.ru/html/19_1.html
Автореферат разослан «___»________________2010 г.
Учёный секретарь
Диссертационного совет
Сурикова Т.И.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Природные условия Египта характерны острозасушливым климатом с малым количеством атмосферных осадков и большим потенциальным
суммарным испарением, что делает искусственную ирригацию совершенно незаменимой
для поддержания сельскохозяйственного производства. Древние способы орошения земель в пойме Нила уже не соответствуют современным требованиям: экономному расходованию водных, энергетических и трудовых ресурсов. На смену им приходят прогрессивные способы полива, одним из которых является капельное орошение. Местное население уже накопило некоторый опыт, однако поиск более совершенных технологий представляет актуальную научную и производственную проблему, главной из которых является экономия водных ресурсов, особенно за пределами долины Нила, где подземные воды
являются главным и ограниченным источником орошения. Распространение капельного
орошения требует дальнейших научных и производственных исследований с учетом природных условий Египта, включая режим орошения в период вегетации и вне ее, уточнение
размеров оросительных норм и исследования статей водного баланса, позволяющего разработать новые способы расчета режима орошения.
Цель работы: обосновать уточненные способы расчета режима орошения с учетом
специфики условий Египта и агробиологических свойств плодовых деревьев, обеспечивающие экономию водных ресурсов, охарактеризовать статьи водного баланса, существенно влияющие на расходование влаги.
Задачи работы:
 оценить применимость различных способов оценки потенциальной эвапотранспирации (суммарного испарения);
 разработать двумерную математическую модель формирования водного режима
почв при характерном для Египта способе капельного орошения плодовых культур,
заключающемся в сплошном увлажнении узкой траншеи шириной порядка 1 метра, где расположена основная масса корней; проверить эту модель имеющимся полевым экспериментом;
 исследовать предполивную влажность почвы в траншее, формирующую в основном величину оросительных норм; оценить изменение продуктивности растений;
показать необходимость увлажнения корнеобитаемого объема почвы во вне вегетационный период, поддерживающего жизнедеятельность плодовых деревьев;
 оценить величину и направление горизонтального влагообмена между увлажняемой траншеей и прилегающей почвой междурядий, влияющего на размер оросительных норм.
Исследования проводились на основании анализа природных условий Египта, производственного опыта, математического моделирования, статистического анализа результатов.
Научная новизна работы:
 выявлены наиболее подходящие к условиям Египта способы оценки потенциального суммарного испарения в зависимости от местоположения метеопунктов относительно
побережья Средиземного моря; для ряда метеостанций применима формула Н.И. Иванова
(приморская зона), для пустынной зоны – метод Блейни и Криддла и стандартный метод
ФАО РАД;
 на основании разработок кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП
предложен и верифицирован вариант модели двумерного влагопереноса при специфическом (траншейном) капельном увлажнении;
 исследовано влияние предполивной влажности на размер оросительной нормы и
продуктивность плодовых деревьев; оптимальным уровнем влажности является значение
0,62…0,65 ППВ; во вневегетационный период для поддержания жизнедеятельности растений редкие поливы следует назначать при снижении предполивной влажности до 0,5
ППВ;
3
 исследован горизонтальный поток влаги в сторону междурядий в период интенсивных поливов (вегетация) и во вневегетационный период; показано, что направление
потока изменяется на противоположное, тем самым часть влаги возвращается в траншею,
что снижает потери поливной воды и уменьшает негативное влияние орошения на прилегающие земли, предложена формула для оценки бокового оттока.
На защиту выносятся:
 результаты моделирования влагопереноса при капельном орошении в условиях
Египта; размеры оросительных норм при траншейном капельном орошении;
 результаты исследования рациональной предполивной влажности в период вегетации и во вневегетационный период для плодовых культур;
 объемы бокового оттока влаги в междурядья в зависимости от предполивной
влажности.
Практическое значение и реализация работы:
 результаты исследований позволяют принимать научно-обоснованные решения
при оценке рациональности и продуктивности орошения плодовых культур в условиях
Египта;
 получать разумные урожаи плодов и фруктов при экономном расходовании поливной воды;
 поддерживать жизнедеятельность плодовых культур в засушливый вневегетационный период.
Достоверность результатов основана на: детальном учете природных условий
орошаемых земель Египта; использовании современных разработок в области влагопереноса при орошении, использовании практического опыта орошаемого садоводства, статистической обработке экспериментов.
Апробация результатов исследований и публикации.
Основные методические положения и полученные результаты докладывались и обсуждались на научно-технических в г. Москве (МГУП–2008, 2009 гг.); на Международной конференции молодых учёных-мелиораторов 24 сентября 2009г. Коломне, (ВНИИ
«Радуга»); the First International Conference on: Economists and Management of Water in Arab
World and Africa 18-19 November, 2009 Assiut. Egypt; на международной научной конференции "Водное хозяйство - состояние и перспективы развития", 15-16 апреля 2010 года в
Национальном университете водного хозяйства и природопользования, г. Ровно (Украина).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 работа в трудах First International Conference
on: Economists and Management of Water in Arab World and Africa.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, выводов и приложений, списка литературных источников из 103
наименований. Общий объём диссертации составляет 144 страниц компьютерного текста,
32 рисунка и 23 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены современные общие положения орошения сельскохозяйственных земель, исходя из концепции А.Н. Костякова; характеризуется развитие ирригации в странах мира; дается классификация основных способов орошения. Большое значение имеет предупреждение засоления и заболачивания земель.
В основе исследований по ирригации находятся работы Аверьянова С.Ф., Айдарова
И.П., Бездниной С.Я., Голованова А.И., Губера К.В.; Добрачева Ю.П., Иванова Н.Н., Ки4
рейчевой Л.В., Ковды В.А., Костякова А.Н., Константинова А.Р., Маслова Б.С., Ольгаренко Г. В. Плюснина И.И., Рекса Л.М., Селянинова Г.Т., Шабанова В.В., Харченко С.И.; вопросы капельного орошения изложены в работах Алексашенко А.А., Алпатьева С.М.,
Болцату И.Н., Григорова М.С., Кузнецова Е.Н., Мекки М., Нестеровой Г.С. и Зона И.С.,
Кружилина И.П., Ромашенко М.И., Шумакова Б.Б., Brant A., Breasler E., Feddes R.A. и
других ученых в области мелиорации сельскохозяйственных земель, растениеводства,
климатологии, гидрогеологии, земледелия и почвоведения.
В первой главе приводится географический очерк Египта и анализируются существующие способы орошения, приводится краткая история Египта, характеризуются его
природные условия: рельеф, геология, почвы, растительный и животный мир, подробно
характеризуются климатические условия, температура, осадки и испарение, возделываемые культуры, водные ресурсы и оросительные системы Египта, использование земель,
дифференциация хозяйственной деятельности, уровень сельского хозяйства, древняя система орошения.
Дан краткий анализ существующих способов орошения, их достоинства и недостатки, приемы расчета элементов техники полива.
Во второй главе приводится расчет и моделирование капельного орошения. Основной задачей мелиорации А.Н. Костяков считал управление круговоротом воды и зольных питательных элементов в целях прогрессивного повышения плодородия почв (Костяков, 1960). Совместное управление геологическим и биологическим круговоротом воды и
зольных питательных веществ может быть достигнуто при условии комплексной взаимосвязи мелиоративно-гидротехнических и агротехнических методов, составляющих единую систему мелиоративных мероприятий, отвечающих природным и хозяйственным
условиям данного района. А.И. Голованов развил эти представления и применительно к
землям сельскохозяйственного назначения сформулировал: «цель мелиорации заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почвы, получении оптимального урожая
определенных сельскохозяйственных культур при экономном расходовании всех ресурсов, недопущении или компенсации ущерба природным системам и другим землепользователям» (Основы природообустройства, 2001). Однако цели мелиорации земель могут
быть достигнуты только при выполнении набора требований к управляемым факторам
почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна
обеспечивать система мелиоративных мероприятий. Этот набор требований
А.И. Голованов и И.П. Айдаров назвали мелиоративным режимом (Айдаров, Голованов,
1986).
Теория мелиоративного режима продуктивна при соответствующем комплексном
подходе к описанию и анализу природных систем. Современная мелиорация опирается на
геосистемный подход, в рамках которого необходимо изучение свойств всех компонентов
природы и закономерностей их взаимодействия Изучению влияния мелиорации на отдельные компоненты природной среды и ландшафты в целом посвящены исследования
С.Ф. Аверьянова, И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Ф.Р. Зайдельмана, Д.М. Каца, Л.В. Кирейчевой, Д.А. Манукьяна, В.В. Шабанова и других ученых.
Приводятся существующие методики расчета капельного орошения, формулируются цели создания модели, требования к ней. В пустынных районах Египта, отличающихся почти полным отсутствием атмосферных осадков и сильным испарением, применяется несколько иная схема капельного орошения. В ней вместо локально расположенных
капельниц, привязанных к каждому дереву, нарезаются траншеи глубиной примерно 1 м и
шириной 1 м, которые заполняются плодородной почвой, увлажняются и вследствие этого
в них располагается основная масса корней растений. Полосы между траншеями не
увлажняются, они заполнены бедными песчаными почвами, корни в них почти не живут,
хотя некоторый отток влаги на эти полосы формируется и его надо учитывать в расчете
5
(так называемый боковой отток). Капельницы располагаются равномерно, не привязаны к
стволам деревьев, увлажняемые контуры накладываются друг на друга и образуют
сплошное увлажняемое тело в виде длинной призмы. Расстояния между траншеями равно
расстоянию между рядами деревьев. Такая схема капельного орошения упрощает фильтрационные потоки, которые можно представить плоскими двумерными, в отличие от
трехмерных осецилиндрических при классической схеме капельного орошения.
Описывается модель капельного орошения применительно к условиям Египта. В
табл.1. приводятся исходные данные для моделирования. В последние годы на кафедре
мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства активно разрабатываются двумерные математические модели для описания гидрогеологических и геохимических процессов в геосистемах, представленных катенами, т.е. цепочками сопряженных фаций с разным режимом увлажнения. Применительно
к условиям капельного орошения в Египте катена принята состоящей из траншеи, где
размещаются корни орошаемой культуры, чаще всего это фруктовые деревья и виноградные лозы, и примыкающего к ней неполиваемого междурядья.
Табл. 1. Исходные данные для моделирования
0,61/ 0,4
Оптимальная
влажность, доли
ППВ
0,82
Предполивная
влажность, доли
ППВ
0,6 … 0,7
1.01-31.05
18
0,63 / 0,4
0,82
0,6 … 0,7
1.02-30.06
21
15,7
0,58 / 0,4
0,82
0,6 … 0,7
1.01-30.07
Виноград
10,5
7,8
0,53 / 0,4
0,82
0,6 … 0,7
1.01-30.06
Манго
15
11.3
0,62/0,4
0,82
0,6 … 0,7
1.02-15.06
Культура
Площадь
дерева, м2
Площадь
кроны, м2
Kб / Kзат
Персик
24
18
Яблоко
24
Цитрус
Период
вегетации
Обозначения в таблице: Kб – биологический коэффициент Kзат–коэффициент затененности
почвы растительным покровом.
Модель, использованная для расчетов, представляет собой уравнение двумерного
потока влаги, реализованное в виде конечно-разностной численной схемы. Исследуемая
толща разбивалась на элементарные слои h j (1  j  Nx  1) переменной толщины, от 0,1 м
вблизи поверхности до 1 м вблизи водоупора, h0  hNx  0 . Для учета разной площади, обслуживаемой одной капельницей, рассматриваемый пласт шириной (нормально к плоскости чертежа) B разбивался вертикальными плоскостями для образования столбцов и расчетных блоков. Ширина этих блоков (по длине катены) bi (1  i  Ny  1) принималась различной в зависимости от ее длины, при этом b0 = bNy = 0.
Конечно-разностный аналог дифференциального уравнения передвижения почвенной влаги и подземных вод по неявной схеме, исходя из баланса влаги в i, j блоке:
Cwin, j 1
H in, j 1  H in, j
t

H in, j 11  H in, j
h j Riв, j 1

H in, j 1  H in, j 1
h j Riв, j

H in11,j  H in, j
bi Riг1, j

H in, j 1  H in1, j
bi Riг, j
 ein, j
где
H in, j 1 – напор, м, на расчетный момент времени n  1 ; при отсчете напоров от поверхности
земли
H in, j 1   xi , j  in, j 1 ;
 in, j 1 – напор, м, эквивалентный каркасно-капиллярному давлению в зоне неполного
насыщения (  0 ) и эквивалентный гидростатическому давлению в зоне полного насыщения;
Сwin, j 1 – коэффициент влагоемкости, м3в/м4:
6
Cwin, j 1 
 in, j 1   in, j
 in, j 1   in, j

 n 1

;
H H i , j  H in, j  in, j 1   in, j
где in, j 1 , – объемная влажность почвы, м3в/м3 (м3в – кубический метр почвенной влаги).
При полном влагонасыщении Сw = 0. Связь между каркасно-капиллярным потенциалом и
влажностью почвы принята в виде:
  
  М
 
 exp  
  hk
m  М





n

;


где m – пористость, м3/м3; М – максимальная гигроскопичность, м3/м3; hk – максимальная высота капиллярного поднятия, м; μ и n – коэффициенты, зависящие от механического состава и структуры почвы, для суглинистых почв принято   1 , показатель степени n
= 1.
Коэффициент влагоемкости при n = 1 равен:
  М .


C   


H
R
в
i, j

hk
- вертикальное сопротивление потоку влаги между центрами i, j и i, j  1 блоков,
сут;
Riв, j  0,5(h j / K (i , j )  h j 1 / K (i , j 1 )) ;
Riг, j - горизонтальное сопротивление потоку влаги между центрами i, j и i  1, j блоков,
сут;
Riг, j  0,5(bi / K (i , j )  bi1 / K (i1, j )) ;
K(ω) – коэффициент влагопроводности м3в/м2/сут, зависящий от коэффициента фильтрации Kф; пористости почвы m; объемной влажности почвы ,; для определения коэффициента влагопроводности K   в зависимости от влажности почвы пользуются формулой
С.Ф. Аверьянова, предложенной им в 1947 году:
3, 5
   
,


K    K ф 
* 
 m  
где ω* - максимальная молекулярная влагоемкость или влажность разрыва капилляров, для
более широкого диапазона влажности эту зависимость можно заменить на
   М
K    K ф 
 m  М
5
 .


Расходование влаги на испарение принято зависящим от погодных условий и от
влажности почвы, оно разделялось на испарение с поверхности почвы, которое учитывалось как граничное условие, и на транспирацию, последняя распределялась по корнеобитаемому слою пропорционально влажности почвы и плотности корней и входила в уравнение в виде интенсивности влагоотбора корнями растений из единичного объема почвы
ei,j, м3в/м3/сут. С этой целью для каждой декады теплого периода по известным средней
температуре воздуха T, оС и относительной влажности воздуха a, % подсчитывалось потенциальное (при оптимальной влагообеспеченности) суммарное испарение (эвапотранспирация) Epot по формуле Н.Н. Иванова:
2
E pot  0,0061Kб 25  T  1  0,01a  , мм/сут
где Kб – биологический коэффициент, учитывающий особенности конкретной культуры.
Потенциальная эвапотранспирация разделялась на потенциальное испарение с поверхноф
t
сти почвы E pot
и потенциальную транспирацию E pot
пропорционально затененности почф
t
вы растительным покровом fр, которая изменялась по декадам: E pot
= (1 – fр) E pot и E pot
=
7
fр E pot . Эти потенциальные величины испарения редуцировались на каждом временном
шаге:
 м
ф
E ф   E pot
;    2w0  w02 ; w0  п
;
0,8 p   м
при влажности поверхностного 2…5 см слоя почвы п >0,8p ' = 1; эти зависимости согласуются, например, с исследованиями А.И. Будаговского. Фактическая транспирация
редуцируется в зависимости от неоптимальности средней влажности корнеобитаемого
слоя почвы:
 k  ВЗ
;
E t   w E tpot , где  w  2 wk  wk2 , wk  opt
 k  ВЗ
w – коэффициент, учитывающий уменьшение транспирации при отклонении влажности
почвы от оптимальной, вид этой зависимости соответствует исследованиям А.Р. Константинова (1968); k – средняя влажность корнеобитаемого слоя почвы, переменная во времени;  kopt - то же, оптимальная в данную декаду; ВЗ – влажность завядания.
Скорректированная величина транспирации E t распределялась по глубине каждого
столбца в заданном корнеобитаемом слое пропорционально влажности почвы и массы
корней в виде интенсивности влагоотбора корнями растений из единичного объема почвы
ei,j, м3в/м3/сут.
Определение напоров почвенной влаги H in, j 1 представляет собой громоздкую вычислительную задачу, т.к. сводится к нахождению порядка 700 неизвестных (при принятой разбивке на блоки) с шагом около 1 суток на протяжении нескольких лет. Следует
также отметить существенную нелинейность этой системы уравнений, в которой емкостной коэффициент и проводимость существенно зависят от напоров почвенной влаги, следовательно, и от влажности почвы, что требует 3…7 итераций на каждом временном шаге. Поэтому алгоритм решения этой системы должен быть наиболее эффективным. В
настоящее время таковым является метод матричной прогонки, который введением вектора напоров по всем i – тым столбцам для каждого слоя j позволяет понизить размерность
задачи до одномерной:
n 1
Uj = | H 1n, j 1 ; H 2n,j1 ; H 3n,j1 ; . . . H Nr
1, j | при этом j= 0,1,2,3...Nx.
С помощью этого вектора система уравнений запишется в матричном виде:
AA jU j 1  CC jU j  BB jU j 1  F j
где - AAj и BB j - квадратные диагональные матрицы размером ( Nr  1)  ( Nr  1) , учитывающие вертикальные потоки влаги между i, j  1 и i, j блоками и между i, j и i, j  1 блоками.
Левое граничное условие, т.е. отсутствие потока в центре рассматриваемого пласта учитывается особыми правилами вычисления элементов этой матрицы D11 и D12; D11 = –
1
D12; D12 
. Аналогичное правое граничное условие учитывается при вычислении
b1 R1г, j
последних элементов этой матрицы DNr 1, Nr 1   DNr 1, Nr 2 ; DNr 1, Nr 2 
1
. В
г
bNr 1 RNr
2, j
случае, если в каком-то блоке i,j имеется источник или сток (дрена или канал), они учитываются при вычислении соответствующих элементов матрицы DD j .
Вектор Fj объединяет все свободные члены.
При наличии источников или стоков на вертикальных границах или внутри области
фильтрации, они учитываются при вычислении этого вектора.
Верхнее граничное условие учитывают, особым образом вычисляя первую матрицу
прогоночных коэффициентов PP0 и первый вектор-столбец QQ0 при обратной прогонке.
8
Так, если через верхнюю границу (х=0) нет потока влаги, то H in,01  H in,11 , тогда элементы
диагонали матрицы PP0 равны Pii  1 , а остальные – нулевые. Все элементы векторастолбца QQ0 равны нулю. При физическом испарении через поверхность почвы поток
влаги равен:
ef i 
H in,11  H in, 01
Riв, 0
.
Поэтому диагональные элементы матрицы PP0 равны Pii  1 , а остальные – нулевые. Элементы вектора-столбца QQ0 равны: Qi  ef i Riв,0 . Если поверхность почвы увлажняется
поливом, то в приведенных выражениях величина физического испарения заменяется интенсивностью водоподачи (м/сут), взятой с обратным знаком. Если поливается часть поверхности, то эту замену осуществляют для соответствующих номеров столбцов i.
Условия на нижней границе ( x  x Nx ) реализуются при особом вычислении последнего вектора напоров UNx, в модели предусмотрены разные граничные условия: отсутствие потоков влаги (водоупор); напорное подпитывание; фиксированная глубина грунтовых вод или дренирование катены заданной удельной интенсивностью.
Знание напоров и сопротивлений позволяют подсчитать потоки влаги в любых сечениях, как на границах области, так и внутри нее, например, переток влаги из одной фации в другую, или вертикальные потоки, характеризующие промываемость почвенного
слоя.
Для обустройства модели использованы некоторые данные полевых исследований,
которые проводились кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП на ОПУ системы капельного орошения «Таврия» в базовом хозяйстве УКРНИИГиМ Красногвардейского района Крымской области. В табл.2 дана сводка значений водно-физических
свойств для условий Египта, использованных в расчетах.
Табл.2. Водно-физические свойства для условий Египта
Станция
Бехера
Гор
Н
p
ωм
Kф
Hk
Почвы по мех. составу
A
1
0,48
0,1
0,25
3
B1
1,5
0,45
0,09
0,1
2,8
Суглинок
B2
3
0,44
0,08
0,1
2,7
C
глубже
0,45
0,09
0,1
2,8
Станция
Гиза
A
1
0,38
0,08
1,5
1
B1
1,5
0,35
0,07
1,5
0,9
Песок
B2
3
0,34
0,06
1,5
0,8
C
глубже
0,35
0,07
1,5
0,9
Станция
Исмаила
A
1
0,45
0,09
0,8
1,5
B1
1,5
0,42
0,08
0,5
1,3
Супесь
B2
3
0,41
0,07
0,5
1,2
C
глубже
0,42
0,08
0,5
1,3
Станция
Фаем
A
1
0,45
0,09
0,8
1,5
B1
1,5
0,42
0,08
0,5
1,3
Супесь
B2
3
0,41
0,07
0,5
1,2
C
глубже
0,42
0,08
0,5
1,3
Станция
Вади
A
1
0,48
0,1
0,25
3
Суглинок
9
B1
1,5
0,45
0,09
0,1
2,8
B2
3
0,44
0,08
0,1
2,7
C
глубже
0,45
0,09
0,1
2,8
Обозначения в таблице: Н – толщина горизонта, м; p – пористость; ωм – максимальная
гигроскопичность; Hk – высота капиллярной каймы, м; Kф – коэффициент фильтрации,
м/сут.
При определении количества воды, необходимого для орошения, нужно, прежде всего, установить, сколько воды расходуют сами растения на транспирацию и образование
зеленой массы, а также величину испарения воды из почвы. На образование органического вещества растение усваивает всего 0,15…0,20% израсходованной им воды, поэтому в
расчетах эта величина не учитывается.
Суммарным водопотреблением (эвапотранспирацией) называют количество воды,
расходуемое на транспирацию растениями и испарение почвой за расчетный период. Обозначим эту величину Е, а ее потенциальное значение или испаряемость, т.е. при неограниченном количестве почвенной влаги E0 ( в зарубежной литературе она часто обозначается как ETо); её измеряют в мм или в м3/га за период вегетации, месяц, декаду, неделю,
сутки.
Е = Т + И;
где Т – транспирация воды растениями; И – испарение воды из почвы.
Величины Т и И зависят от метеорологических условий, вида и фазы развития растений, площади листьев, состояния почвы - разрыхленности, затененности листьями и
очень сильно от увлажненности почвы. Соотношение между Т и И изменяется по мере
развития растений и изменения условий испарения. За период вегетации для большинства
сельскохозяйственных культур на испарение с поверхности почвы затрачивается около
30…40 % воды, на транспирацию растений - примерно 60…70 % от суммарного водопотребления. Послеполивное рыхление почвы (культивация) позволяет существенно сократить непроизводительные потери воды на испарение.
При отклонении влажности почвы ω в обе стороны от оптимальной ωopt для рассматриваемой культуры реальное суммарное водопотребление E уменьшается из-за недоувлажнения или переувлажнения и может быть определено с помощью коэффициента ε,
предложенного А.И. Головановым:
E = εE0 , ε = 2,72∙θ/θopt ·Exp(-θ/θopt);
где θ – относительные доступные влагозапасы в корнеобитаемом слое, θ = (ω – ВЗ)/(p –
ВЗ); θopt – то же оптимальные для конкретной культуры; p – пористость почвы в расчетном слое; ВЗ – влажность завядания, примерно равная 1,3…1.5 максимальной гигроскопичности почвы.
Эти формулы связывают реальное суммарное водопотребление с влажностью почвы,
а, следовательно, и с оросительной нормой. С их помощью можно учесть влияние отклонения влажности от оптимальной на урожайность и, тем самым оптимизировать размер
оросительной нормы.
Была выполнена оценка применимости некоторых методов оценки потенциального
суммарного испарения в условиях Египта. Цель этого исследования состояла в том, чтобы
оценить точность восьми методов, сравнивая их со стандартным методом ФАО 56 - ПМ
для двенадцати метеостанций Египта при различных климатических условиях. Рассмотрены метеостанции Матрох, Бехера, Фаюм, Вади, Харга, Асван, Кафр-саад, Ага, Исмаила,
Гиза, Миня, Манфалот. Были использованы все имеющиеся метеоданные за 10 лет.
Методы были сгруппированы в 3 группы:
А) стандартный метод ФАО 56- Пенман-Монтейс (ПМ);ФАО Блэйни-Кридла (БК), Иванова (ИВ), Тюрка, Дженсен-Хэйса (ДХ) и Харгривса (ХГ);
Б) радиационные методы ФАО Рад, Пристли Тэйлор (ПТ);
В) метод с использованием водных испарителей 3(И-Пан).
10
Значения испарения, полученные различными методами были сравнены со стандартным методом 56 ФАО-ПМ следующим образом:
1) Была вычислена относительная ошибка PE делением значений испаряемости
различными методами (метод) на значения стандартного метода ФАО 56 – ПМ (станд):
EToметод
PE 
.
EToстанд
2) Определена стандартная ошибка оценки SEE:
0. 5
 n
2
(
ETo

ETo
)
станд
метод



SEE   i 1
n 1




Критерий стандартной ошибки оценки SEE позволяет судить о точности и надежности различных методов.
Для зоны 1 (западная пустыня), включающей метеостанции Матрох, Бохера, Фаюм,
Вади, Харга и Асван, наиболее подходящим для оценки потенциального суммарного водопотребления оказался метод Блэйни-Кридла (БК).
Для зоны 2 (побережье Средиземного моря), включающей метеостанции Кафрсаад, Ага и Исмаила, наиболее подходящим для оценки потенциального суммарного водопотребления оказался метод Иванова (ИВ).
Для зоны 3 (восточная пустыня), включающей метеостанции Гиза, Миня и Манфалот, наиболее подходящим для оценки потенциального суммарного водопотребления оказался метод ФАО Рад
Была выполнена оценка способа расчета оросительных норм при капельном орошении сада в условиях Египта.
Целью данного исследования было сравнение фактических и расчетных оросительных норм, т.е. проверка жизнеспособности модели. Сравнение оросительных норм приведено в принятых в Египте размерностях [м3/феддан] (1феддан=4200м2). Надо также иметь
в виду, что оросительная норма относится только к увлажняемой площади (см. табл. 1).
В табл. 3 и на рис.1 и 2 приведены в сравнении окончательные результаты расчета
оросительных норм и относительной (к максимальной) урожайности по данным моделирования и по фактическим данным, они практически совпадают, что говорит о правильности примененного способа расчета.
В третьей главе приводятся результаты исследования влияния предполивной
влажности на размер оросительной нормы сада в условиях Египта.
Для исследований использовалась математическая модель, описанная выше. Для
всех 5 культур и всех 5 метеостанций были рассмотрены различные значения предполивной влажности в пределах 0,62…0,75 ППВ в период вегетации и 0,4..0,55 ППВ во вневегетационный период, в том числе и обеспечивающие 85 и 75 % максимальной относительной урожайности, для чего предварительно были построены графики зависимости относительной урожайности от предполивной влажности. В табл. 4 приведены значения предполивной влажности а период вегетации и вне его, принятые при моделировании.
Относительная урожайность определялась по модели продуктивности растений,
разработанной проф. В.В. Шабановым.
Затем были подсчитаны размеры оросительных норм при тех же значениях предполивной влажности. Объединяя эти зависимости, получили значения оросительных норм
при разных уровнях урожайности: 85 и 75 % максимальной. При этом использовалась известная закономерность: заметное снижение оросительных норм при несильном отклонении влажности от оптимальной. Эта закономерность в качестве примера иллюстрируется
рис. 3.
11
Табл. 3. Сравнение расчетных оросительных норм и относительных урожайносте
(по модели) при оптимальной влажности с фактической
Станция
Культура
Оросительная норма
по результатам моделирования, м3/феддан
персик
5198
яблоко
5651
Бехера
цитрус
5765
виноград
5036
манго
5451
персик
7299
яблоко
7645
Гиза
цитрус
8261
виноград
7273
манго
7280
персик
5944
яблоко
6587
фаем
цитрус
7027
виноград
6187
манго
6304
персик
5198
яблоко
5651
вади
цитрус
5765
виноград
5038
манго
5451
персик
5169
яблоко
5840
Исмаила
цитрус
6264
виноград
5532
манго
5498
Примечания : * при оптимальной влажности.
** при фактической влажности.
12
Фактическая
оросительная
норма,
м3/феддан
5600
6000
6200
5530
5860
6900
7130
7940
6970
7000
6000
6400
6840
6300
6450
5500
5980
6190
5400
5700
5600
6000
6200
5530
5860
Урожайность по
модели *
0,93
0,94
0,93
0,93
0,95
0,94
0,95
0,94
0,94
0,96
0,94
0,95
0,93
0,92
0,94
0,93
0,94
0,93
0,93
0,95
0,94
0,95
0,94
0,94
0,95
Фактическая урожайность
**
0,73
0,75
0,76
0,79
0,77
0,73
0,75
0,76
0,79
0,77
0,73
0,75
0,76
0,79
0,77
0,73
0,75
0,76
0,79
0,77
0,73
0,75
0,76
0,79
0,77
Pис.1. Сравнение расчетной (по модели) оросительной нормы с фактической
Pис. 2. Сравнение расчетной (по модели) относительной урожайности с фактической
(среднемноголетние данные)
13
Табл. 4 Исследованные варианты предполивной влажности
Вариант
Предполивная влажность
вне периода вегетации
0,56
0,52
0,49
0,48
0,49
0,46
0,40
0,65
0,65
0,62
0,60
0,58
Оросительная норма
Относительная урожайность
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Предполивная влажность
в период вегетации
0,70
0,65
0,62
0,60
0,65
0,62
0,62
0,62
0,60
0,60
0,60
0,58
Предполивная влажность
Предполивная влажность
Оросительная норма, м3/ф
Рис. 3. Зависимость оросительных норм (слева) и относительной урожайности (справа) от
предполивной влажности для Бехера яблоко.
Варианты предполивной влажности
Рис. 4 . Влияние предполивной влажности на размер оросительной нормы
14
Относительная урожайность
Варианты предполивной влажности
Рис. 5. Влияние предполивной влажности на относительный урожай
Исследования показали, что оптимальным уровнем влажности является значение
0,62…0,65 ППВ, которое обеспечивает получение около 85 % урожайности и сокращение
оросительной нормы примерно на 40%, что и имеет место на практике; во вневегетационный период для поддержания жизнедеятельности растений редкие поливы следует назначать при снижении предполивной влажности до 0,5 ППВ.
В четвертой главе изучалось влияние капельного орошения садовых культур на
прилегающие земли в условиях Египта. При расчете горизонтального оттока влаги из
увлажняемой зоны надо иметь ввиду, что этот процесс отличается от обычной фильтрации, так как происходит при неполном насыщении пор влагой, для этого необходимо
иметь зависимость коэффициента влагопроводности от влажности:
5
   М 
k   n kф  r

 p  М 
где kω- коэффициент влагопроводности, м/сут.;  n - коэффициент анизотропии грунта, т.е.
отношение kфгор/kфверт; kф - коэффициент фильтрации увлажняемого слоя почвы, обычно
определяемый в полевых условиях методом налива, то есть при вертикальной фильтрации, в связи с этим необходимо учитывать возможную анизотропию почвы, то есть неодинаковость значений коэффициента фильтрации в вертикальном и горизонтальном
направлениях, что может быть существенным для почв, образовавшихся на лессовидных
и аллювиальных породах, поэтому в формулу вводится коэффициент анизотропии  n ,
для лессовидных грунтов он может быть равен 0,3...0,6, а для слоистых аллювиальных он
больше единицы;  r - расчетная объемная влажность увлажняемого слоя, зависящая от
предполивной влажности ωпп и поливной нормы m, мм
0,5  m
 r  ПП  ППВ  p 
1000  hувл
15
где ППВ – предельная полевая влагоемкость в долях от пористости почвы p; М – максимальная гигроскопичность; hувл – увлажняемый слой почвы в м.
В принципе, для расчета оттока из увлажняемой зоны необходимо решать уравнение движения влаги при неполном насыщении, происходящего по всем трем направлениям (трехмерный поток), что значительно осложняет расчет режима поливов при капельном орошении, так как требует разработки специальных программ и применения ЭВМ.
Приближенно отток влаги из увлажняемой зоны за один цикл – полив- межполив
От , мм мы предлагаем рассчитывать по формуле:
(1)
От   в тte0.5t
где  в – коэффициент, учитывающий вертикальный отток влаги из увлажняемой зоны в
подстилающие слои корнеобитаемой зоны, примерно равен 1...1,2;  – коэффициент, зависящий от водно-физических свойств и размеров поливных норм, его величины приведены в табл. 5; m– поливная норма, мм; t – относительное время; t – время с начала полива, сут.; τ – время стабилизации потока влаги, сут.
Rув2 С
t
t
, 

к
Rув – радиус увлажняемой зоны, м; коэффициент влагоемкости С будет равен
С 
r  М
, м-1
Hk
H k – высота капиллярного поднятия, м. (см табл. 5)
Расчетные значения водно-физических свойств почв для каждой метеостанции приведены
в табл. 5.
Табл. 5. Значения водно-физических свойств почв, применительно к метеостанциям, использованные для расчета оттока при капельном орошении по формуле (1)
Станция
p
М
ППВ
Фаем
Гиза
Бехера
Исмаила
Вади
0,45
0,38
0,48
0,45
0,48
0,09
0,08
0,10
0,09
0,10
0,65
0,65
0,65
0,65
0,65
H k , k ф , R ув ,
м м/сут
м
1,5 0,80 0,50
1
1,20 0,50
3
0,25 0,50
1,5 0,80 0,50
3
0,25 0,50
r
0,21
0,18
0,22
0,21
0,22
k ,
м/сут
0,005
0,004
0,001
0,005
0,001
С ,
,
м
0,143
0,095
0,039
0,143
0,039
сут
7,20
6,10
13,7
7,20
13,7
-1
Табл. 6. Зависимость коэффициента Ω в формуле (1) от поливной нормы m и воднофизических свойств почв применительно к метеостанциям
m, мм
Фаем
Гиза
Бехера
Исмаила
Вади
30
0,75
0,37
0,73
0,75
0,74
40
0,70
0,33
0,66
0,70
0,66
50
0,56
0,29
0,60
0,56
0,58
60
0,51
0,28
0,55
0,51
0,53
Для расчета оттока по формуле (1) надо учитывать продолжительность цикла поливмежполив, который зависит от размера поливной нормы (см. табл. 7.).
Табл. 7. Средняя продолжительность цикла полив-межполив в зависимости от размера
поливной нормы
16
m, мм
Время межу поливами, сут
30
3,5
40
4,7
50
5,8
60
6,0
Для проверки формулы (1) было выполнено моделирование капельного орошения в
характерные по погодным условиям годы, близкие к среднемноголетним показателям.
Общая картина бокового оттока за год показана на рис.1. С начала вегетации и поливов
отток растет и к концу вегетации достигает максимума – 275 мм. Для поддержания существования культур в засушливый вневегетационный период приходится проводить поливы с уменьшенной предполивной влажностью, примерно равной 75% от предполивной
влажности в течение вегетации. График колебания влажности в корнеобитаемом слое в
эти периоды показан на рисунке 2. Вследствие этого вне вегетации наблюдается обратный
поток влаги, поступившей в траншею. Суммарный отток за год уменьшается до 200 мм,
следовательно, в увлажняемую зону возвращается с прилегающих земель 75 мм влаги, что
в целом приводит к некоторой экономии водных ресурсов.
17
Рис. 6.а- динамика влажности в корнеобитаемой зоне в период вегетации и
вне ее. и б- боковой отток нарастающим итогом
18
На рис. 8 в качестве примера показаны результаты проверки формулы (1) результатами
моделирования на примере метеостанции Фаем (культура яблоко) для характерных по погодным условиям лет. Слева приведены кривые мгновенного (мм/сут.) и суммарного оттока (мм) за средний цикл полив-межполив и суммарный отток, рассчитанный по формуле (1) для разных поливных норм. Этот рисунок показывает хорошее совпадение рассчитанных значений оттока с данными моделирования. Справа показаны корреляционные
зависимости между динамикой оттока по формуле (1) и по данным моделирования внутри
периода полив-межполив. Угловые коэффициенты уравнений связи близки к единице, а
коэффициент корреляции R2 практически равен единице, что также подтверждает правильность формулы (1).
Табл. 8. Рассчитанный отток по модели и по формуле (1) в мм для всех культур и метеостанций.
МетеостанОтток за
Отток за
Отток за
Отток по
Культура
ция
вегетацию
вне-вегетацию
год
формуле (1)
яблоко
275
-75
200
260
Бехера
Фаем
Гиза
Исмаила
Вади
цитрус
344
-67
277
295
манго
274
-75
199
236
персики
252
-78
174
206
виноград
304
-72
232
242
яблоко
454
-510
-56
447
цитрус
410
-451
-41
413
манго
461
-520
-59
434
персики
447
-493
-46
454
виноград
459
-516
-57
475
яблоко
290
-424
-134
305
цитрус
267
-419
-152
268
манго
291
-418
-127
297
персики
295
-416
-121
305
виноград
286
-419
-133
288
яблоко
420
-475
-55
447
цитрус
359
-437
-78
379
манго
432
-502
-70
434
персики
416
-508
-92
396
виноград
419
-494
-75
434
яблоко
274
-73
201
263
цитрус
344
-66
278
299
манго
275
-76
199
239
персики
252
-78
174
197
виноград
304
-72
232
245
19
Отток, мм
Рис. 7. Рассчитанные отток по модели и по формуле (1) в мм для все культура и метеостанция.
Относительное время
20
Отток по формуле (1)
Суммарный отток
Рис. 8. а) Сравнение мгновенного и суммарного оттока по данным моделирования и по
формуле (1); б) Корреляционные зависимости между значениями оттока по данным моделирования и по формуле (1)
21
Общие выводы и предложения
1. Проанализированы природные условия Египта, показана необходимость исследования и внедрения в практику ирригации прогрессивных водосберегающих и природосохраняющих технологий полива, в частности, капельного орошения плодовых культур.
2. Обобщены данные по погодным условиям 12 метеостанций, выполнен сравнительный статистический анализ результатов по 9 распространенным в мире способам расчетов потенциального суммарного испарения (эвапотранспирации), для условий Египта
наиболее подходящими являются формула Н.И. Иванова (для приморской зоны), стандартный метод ФАО РАД и метод Блэйни-Кридла (для пустынной зоны).
3. Обобщены многолетние данные практического применения капельного орошения садовых культур (персика, яблока, винограда, цитруса, манго) в климатических условиях метеостанций Бехера, Гиза, Исмаила, Фаем, Вади; анализировались средние за 10 лет
значения относительной урожайности и размеры оросительной нормы.
4. Эти данные были использованы для верификации уточненной модели капельного орошения, основанной на описании двумерного влагопереноса в увлажняемой траншее
и на прилегающей территории; получено удовлетворительная сходимость опыта и моделирования. В модели реализован применяемый в практике орошаемого садоводства Египта способ сплошного капельного полива почвы в траншее, где сосредоточена основная
масса корней (ширина траншеи 1 м, глубина около 1 м).
5. Исследовано влияние предполивной влажности на размер оросительной нормы и
продуктивность плодовых деревьев; оптимальным уровнем влажности является значение
0,62…0,65 ППВ, которое обеспечивает получение около 85 % урожайности и сокращение
оросительной нормы примерно на 40%, что и имеет место на практике; во вневегетационный период для поддержания жизнедеятельности растений редкие поливы следует назначать при снижении предполивной влажности до 0,5 ППВ.
6. Исследован горизонтальный поток влаги в сторону междурядий в период интенсивных поливов (вегетация) и во вневегетационный период, когда направление потока изменяется на противоположное, тем самым часть влаги возвращается в траншею, что снижает потери поливной воды и уменьшает негативное влияние орошения на прилегающие
земли, предложена формула для оценки бокового оттока.
22
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Абдель-азим М.М. Сравнение некоторых методов оценки суммарного испарения в
условиях Египта [Текст]/Абдель-азим М.М.// Материалы международной научнопрактической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации
национальных проектов»: М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2008.-Ч.I.- C.7-11. ISBN 978-5892 31-243-1
Абдель-азим М.М. Оценка способа расчета оросительных норм при капельном
орошении сада в условиях Египта. [Текст]/ Голованов А.И., Абдель-азим М.М.//
Мелиорация и водное хозяйство: научно- практический журнал. – М., 2009, двухмесячник,- ISSN 0235-2524. № 3 С.24-25
Абдель-азим М.М. Исследования влияния предполивной влажности на размер оросительной нормы сада в условиях Египта. [Текст]/Голованов А.И., Абдель-азим
М.М.// Мелиорация и водное хозяйство: научно- практический журнал. – М., 2009,
двухмесячник. - ISSN 0235-2524. № 6 С.48-49
Абдель-азим М.М. Evaluation the Irrigation Rate in Drip Irrigation and Identify Standards Irrigation in Terms of Egypt. [Текст] /Голованов А.И., Абдель-азим М.М.// The
First International Conference «Economists and Management of Water in Arab World
and Africa» 2009 Assiut University, Egypt. C. 223-229
Абдель-азим М.М. Влияние капельного орошения садовых культур на прилегающие земли в условиях Египта. [Текст]/ Голованов А.И., Абдель-азим М.М.// Мелиорация и водное хозяйство: научно- практический журнал. – М., 2010, двухмесячник. - ISSN 0235-2524. № 2 (в печати)
Абдель-азим М.М. Creation New Model of Drip Irrigation for Egyptian Conditions.
[Текст]/ Голованов А.И., Абдель-азим М.М.// Материалы международной научнопрактической конференции «Водное хозяйство – состояние и перспективы развития» г. Ровно, Национальный университет водного хозяйства и природопользования, 2010. (в печати)
23
Подписано в печать «___»____________2010 г. Формат 60х84 /16
Т.-100 экз. Объем 23/16= 1,4 учетный издательский лист.
Заказ №_______
Отпечатано в лаборатории множительной техники ФГОУ ВПО МГУП.
24