УДК 624.131.6

Ларионова А.М., доктор технических наук

СРАВНЕНИЕ СКОРОСТЕЙ впитываНИЯ ВОДЫ В ПОЧВУ  

ПРИ поверхностном поливЕ И поливе ДОЖДЕВАНИем

 

Резюме:

Скорость впитывания воды в почву при дождевании зависит от интенсивности дождя и уменьшается по сравнению с поверхностным способом полива, что следует учитывать при назначении техники полива. При поливе дождеванием может образоваться поверхностный сток и при малой интенсивности дождя. Для полива без стока следует уменьшать поливную норму, проводить технологические и агромелиоративные мероприятия, повышающие впитывающую способность почв.

 

Ключевые слова: дождевание, впитывание, интенсивность дождя, поверхностный сток, эрозия почв.

 

Впитывание воды в почву или инфильтрация -  сложный физический процесс. Скорость впитывания воды в почву зависит от ряда факторов (начальной влажности и плотности почв, водопрочности агрегатов, дренирующего действия корневой системы, напора воды, свойств фильтрующей жидкос­ти и др.) и комплексного их воздействия. Скорость инфильтрации количественно оцени­вается слоем впитавшейся воды за единицу времени.

При поверхностном способе полива (наличии на почве сплошного слоя воды) инфильтрация воды в почву происходит в фазе напорно­го режима и скорость ее уменьшается в процессе полива. При поливе дождеванием на скорость впитывания воды в почву дополнительно оказывает влияние качество дождя (интенсивность, крупность капель дождя и равномерность распределения его по площади) и, в большей степени, интенсивность дождя. Впитывание воды в почву при дождевании может происхо­дить как в фазе безнапорного, так и напорного режима (Абрамов Ф.Г., Ерхов Н.С., Кулик В.Я., Миленин Б.О. и др.) . Безнапорная инфильтрация продолжается до тех пор, пока на поверхности почвы не образуется слой воды.

Изучению вопроса впитывания воды в почву посвящены работы многих советских и зарубежных ученых. Существует ряд зависимостей для определения скорости инфильтрации, но для конкретных условий могут быть не приемлемы отдельные расчетные формулы. Из-за множества факторов, влияющих на скорость впитывания воды в почву, и их совокуп­ного действия имеются различные мнения ученых по определению скорости инфильтрации и поэтому необходима экспериментальная проверка и получение опытных коэффициентов для конкретных условий.

Для определения скорости впитывания воды в почву или впитывающей способности почв проведены полевые опыты на бурых полупустынных, слабопроницаемых почвах Астраханской области. Напорное впитывание воды в почву изучалось на заливаемых площадках и безнапорное - на стоковых площадках при поливе опытной дождевальной установкой с разной интенсивностью дождя. При фактической интенсивности дождя на стоковых площадках фиксировались время до образования поверхностного стока и объем стока. Расчетом определялись эрозионно-допустимая поливная норма (ЭДПН) – это объем вылитой воды до образования поверхностного стока или норма до стока и скорость впитывания при дождевании (частное от деления слоя впитавшейся воды на продолжительность впитывания). Результаты опытов по напорному и безнапорному (при дождевании) впитыванию на безуклонной поверхности и площади без рыхления показаны на рисунке 1.

При повышении интенсивности дождя (от 0,5 до 3,27 мм/мин.) увеличилась скорость безнапорного впитывания воды в почву (к концу 1-го часа - от 0,44 до 1,05 мм/мин.). Кривая безнапорной инфильтрации приблизилась к кривой напорного впитывания, но при этом снизились время до образования поверхностного стока (от 43,5 до 5,1 мин.) и норма до стока (от 217 до 168 м3/га). Данными опытов получено, что скорость впитывания воды в почву при поверхностном поливе значительно выше, чем при дождевании.


 


Рисунок 1 - Скорость впитывания воды в почву при напорном поливе (1) и дождевании (2-9) с разной интенсивностью дождя

 

Для данных условий и типов почв при сравнении результатов опытов по напорной и безнапорной инфильтрации воды в почву получены поправочные коэффициенты для расчета скорости впитывания при дождевании, которые равны при ин­тенсивности дождя: около 3,0 мм/мин - 1,04÷0,96; 2,0 мм/мин - 0,76÷0,67; 1,0 мм/мин - 0,67÷0,48; менее 0,7 мм/мин - 0,53÷0,45, где большие значения соответствуют времени дождевания до 20 и меньшие до 60 минут.

При поливе с малой интенсивностью дождя (0,3-0,5 мм/мин) также образуется поверхностный сток, но увеличивается время до стока и умень­шается объем стекаемой воды (объем стока) и процент стока от количества вылитой воды. Снижение интенсивности дождя от 3,27 до 2,01 и 1,0 мм/мин (на 39 и 69%) уменьшило скорость впитывания при дождевании к концу:

- 20-й ми­н. от 1,24 до 0,97 и 0,84 мм/мин или на 22 и 32%,

- 40-й ми­н. от 1,10 до 0,74 и 0,54 мм/мин или на 33 и 51%,

- 1-го часа от 1,08 до 0,70 и 0,49 мм/мин или на 35 и 55% .

Результаты полевых экспериментов показывают, что впитывающая способность почвы существенно зависит от интенсивности дождя, уменьшается вместе с ней. Практическая ценность этих результатов очевидна, как очевидна необходимость их теоретического подтверждения.

Главное внимание сосредоточено на возможности просто­го теоретического описания результатов полевых опытов. В этом направлении использовалась теория движения влаги в почве при не­полном их насыщении. Многими исследователями показано, что с достаточной степенью точности для практических приложений движение воды в почве описывается уравнением :

                      Н = Р(w) – Х                                  (1)

где W - объемная влажность почвы; К(w) - влагопроводность; Р(w) - капиллярная зависимость; Х – глубина; - время.

Различные аспекты использования уравнения (1) для мелиоратив­ных расчетов рассматривались в работах Аверьянова С.Ф.,  Костякова А.Н., Ведер­никова В.В., Голованова А.И., Кулика А.Я., Никитенкова Б.Ф. и других авторов . Для решения уравнения (1) требуется знание зависимостей К(w) и Р(w), а также задание граничных и начальных условий. В практике определения скорости движения воды в почве основная сложность заключается в том, что свойства почв не однородны по пло­щади и использование уравнения (1) в этих условиях встречает ряд существенных трудностей.  На  первый взгляд можно было бы считать за­висимости Р(w) и К(w) еще функцией координат. Однако свойства почв меняются в объеме случайно, и построить устойчивые функции координат невозможно. Поэтому целесообразно разделить расчеты, свя­занные с закономерностями впитывания, в среднем по площади, считая, что этот процесс можно описать уравнением (1), и расчеты, учитыва­ющие неоднородность, как свойства почв, так и вариацию интенсивности дождя. При исследовании формирования водного режима почв при дождевании, ее впитывающей способности, с использованием уравнения (1), граничное условие на поверхности обычно задается в виде:                                                                 (2)

Однако это условие будет выполняться в случае, если напор на поверхности почвы будет отрицателен, то есть поверхность не насыще­на полностью влагой. С того момента времени, когда почва дойдет до полного насыщения следует изменить (2) на вид:                                                                (3)

где q – интенсивность дождя, ℓ - сформировавшийся средний слой воды на поверхности почвы, который можно определить из баланса воды на поверхности:                                                                                  (4)

где s - интенсивность поверхностного стока за время Δ; Е - испарение.

Построение модели формирования водного режима с использовани­ем уравнения (1) при граничных условиях (2, 3 и 4) можно выполнить несколькими способами: во-первых, это численное его решение. Алго­ритмы такого решения можно найти в работах Голованова А.И., Никитенкова Б.Ф. и Ведерникова В.В. и других . Но, учитывая определенные цели, был выбран путь аналитического решения уравнения (1) при упрощающих предпосылках. Этот прием ранее показал эффективность в работе Тюряева А.А. . Если предположить, что                                и    W = m                                            (5)

и обозначив  , то уравнение (1) преобразуется к виду:

                                ,                                                       (6)

а граничное условие (2) записывается:        

                                                                                    (7)

В уравнениях 5÷7 следующие обозначения:

Ко и m - модельные аналоги коэффициента фильтрации и пористос­ти;

 - эмпирический коэффициент; Р - капиллярное давление; t -приведенное время. Решение уравнения (6) при постоянном начальном и ограниченном граничном условии при х  ∞, записывается в виде (Аверьянов С.Ф., Рекс Л.М.): 

                                                                                (8)

где:              

                        E1(v)= erf c(v);             H(v)=i erf c(v)                                  (9)

              

При достижениизначения =1 наступает насыщение по­верхности почвы и появляется сток. Но, если отношение q/К0<1, то функция  становится равной =q/К0. На рисунке 2 при­ведены данные расчета функции  при х=0 (поверхность почвы). Как и говорилось, при всех интенсивностях дождя больших Кo, функция  достигает значения 1 и превосходит ее, хотя последнее не имеет физического смысла. Из модели вытекает, что при интенсивностях дождя q>Кo  в однородных грунтах может начать­ся поверхностный сток, однако при q<Кo поверхностного стока не будет. Оценивая результаты, следует особо отметить, что уравнение  (8) является всего лишь приближением к действительности и оно не работает при >1.


Поэтому те части графика, которые показаны на рисунке 2 пунктиром, не дают истинного представления о потенциале, который формируется в естественных условиях. Неоднородность свойств почв и микрорельеф приводят к тому, что в среднем по площади n (предельное значение) стано­вится близким к единице лишь при затоплении, но и здесь защемленный воздух не позволяет  приблизиться к предельному состоянию. Получены экспериментальные значения n , исхо­дя из действительных значений скоростей впитывания. За величину Кo принято значение истинного коэффициента фильтрации, найденного с учетом 7% защемленного воздуха (в литературе данные по защемленному  воздуху  указываются 5÷9%). Тогда,  приняв значение К=1,05, что соответствует скорости впитывания при =60 мин (рис. 1) и W=0,93 m, определены значения: Кo=1,13, m= 0,3;  - найде­но подбором и равно 0,1 (1/мм) (Аверьянов С.Ф. Ведер­ников В.В., Никитенков Б.Ф.) .

Рисунок 2 - Зависимость функции  от времени. Цифры у кривых: предельные значения

 

Определена зависимость предельного значения функции  от средней интенсивности дождя, построенная по экспериментальным данным и является средней по пло­щади. Она учитывает и наличие насыщенных (лужиц) и ненасыщен­ных зон. Учитывая то, что при q>1 лужицы формируются достаточ­но быстро, естественно предположить, что n (предельное значение) формируется быстрее, нежели на это указывает уравнение (8), так как по нему  стремится к n  (  n)  при  ∞. Эта гипотеза позволяет рассчитать впитывающую способность почв, которую можно определить как зависимость скорости впитывания во времени при различных сформировавших­ся n,  что  в  свою очередь, зависит от q (интенсивности дождя).

Воспользовавшись уравнением (6) при гранич­ном условии:   и решение можно получить в виде (Аверьянов С.Ф., Тюряев А.А.) :   

                                                                      (10) 

где  ; E(v)=erf c(v),  другие обозначения совпадают с обозначениями формулы (8).

Средняя скорость впитывания с поверхности почвы находится по зависимости:                                                                        (11)     

Подставив в (11)  найденную дифференцированием (10) и, проделав преобразования, получается, что скорость впитывания воды в почву при дождевании определяется по формуле:  

                                         (12)

Учитывая, что все параметры подобраны раньше, далее по составленной на ЭВМ программе рассчитывается скорость впитывания воды в почву при дождевании с различной интенсивностью дождя.

По составленным программам на ЭВМ проведена статистическая обработка рядов данных по интенсивности дождя (q), определены средние ее значения (), ошибка опыта (q), среднеквадратичные отклонения (бq). Расчеты показали, что совпадение вполне удовлетворительное, так при интенсивности дождя ≤1,46 мм/мин:q=0,259 и бq=0,378.

Несмотря на некоторые отличия в расчетных и измеренных кривых впитывания, существенным фактором является то, что с уменьшением интенсивности дождя, и вместе с ней n, снижается впитывающая способность почв, что указывает на то, что принятые гипотезы в целом соответствуют действительности, а результаты опытов достаточно убедительно подтвер­ждены теоретически.

Принципиально модель, с использованием уравнения (6), можно усложнить, реализовав граничное условие (2 и 3) в полном объеме, то есть, учитывая вначале, что впитывающая способность больше интен­сивности дождя и лужицы отсутствуют. Но учитывая, что и более про­стая модель доказала убывание скорости впитывания воды с уменьшением интенсивности дождя, эти результаты можно считать окон­чательными.

Использование теории движения почвенной влаги при неполном насыщении позволило: доказать теоретически, что с уменьшением интенсивности дождя снижается впитывающая способность почвы; получить расчетные данные, необходимые для изучения закономер­ностей формирования стока воды на поверхности почвы при дождевании. Получено решение уравнения (1) движения воды в почве, связывающее среднюю впитывающую способность почвы, водно-физические константы и интенсивность дождя. Проведенные расчеты показали, что для практики возможно использовать упрощенное уравнение влагопроводности, допускающее аналитическое решение.

В настоящее время при обосновании дождевальной техники и проектировании оросительных систем нередко допустимая интенсив­ность дождя является одним из основных критериев. Но путь умень­шения интенсивности дождя, по-видимому, не во всех случаях приемлем. Во-первых, выбор поливной техники с малой интенсивностью дождя пропорционально снижает их производительность при поливах и, соответст­венно, экономическую эффективность оросительной  системы  в  целом.  Во-вторых,   результат такого подхода останется прежним, так как удается только отсрочить появление поверхностного стока, но избежать его на практике не получается.

Более правильным курсом для снижения объема поверхностного стока, соответственно и водной эрозии почв при дождевании, является использование высокопроизводительной дождевальной техники с умеренной интенсивностью дождя, снижение величины поливной нормы и разработка технологических и агромелиоративных мероприятий по увеличению впитывающей способности почвы, а равно и нормы до стока. К таким мероприятиям относятся: преры­вистость дождевания, уменьшение интенсивности дождевания в процессе полива (после образования поверхностного стока), рыхление верхнего и пахотного слоев почвы, оструктуривание почв химмелиорантами и другие. При планировании мероприятий необходимо, чтобы комплекс проводимых работ был экономически оправ­дан.

 

Список использованной литературы

1. Абрамов Ф.Г. Определение водопроницаемости почв при дождевании. – М: ж. Почвоведение, № 11, 1954.                          

2. Аверьянов С.Ф., Рекс Л.М. Некоторые математические моде­ли переноса солей в почвогрунтах. //Материалы международного кон­гресса по борьбе с засолением. Ереван, 1969г.

3. Ведерников В.В., Никитенков Б.Ф. Некоторые вопросы использования матема­тических моделей при прогнозировании водного и солевого режимов почвогрунтов. – М: Сборник Сельскохозяйственные мелиорации, МГМИ, т. 40, 1976. - С. 54-60.

4. Голованов А.И. Прогноз водно-солевого режима и расчет дренажа на орошаемых землях. Автореферат диссертации д.т.н. – М: МГМИ, 1975. – 32 с.

5. Ерхов Н.С., Кантор О.В. Водопроницаемость суглинистых почв и допустимая интенсивность дождя. – М: Ж. Гидротехника и мелиора­ция, № 7, 1977.-С.48-55.

6. Костяков А.Н. Основы мелиораций. – М: «Сельхозгиз», 1960. -  622 с.

7. Кулик В.Я. Инфильтрация воды в почву. – М: Колос, 1978. - 94 с.

8. Миленин Б.О. Интенсивность дождя и впитывание воды в почву при дождевании. Автореферат диссертации к.т.н. – М: ВНИИГиМ, 1966. – 20 с.

9. Никитенков Б.Ф. Методы построения и использования комплексных моделей почвенных процессов в мелиорации. Автореферат диссертации д.т.н., М: МГМИ, 2000. - 43с.

10. Тюряев А.А. Совершенствование технологии полива дальнеструйными дождевальными устройствами на склоновых землях юга Таджикистана. Автореферат диссертации к.т.н. – М: МГМИ, 1981. - 20 с.