УДК 624.131.6
Сельское хозяйство/ Организация сельскохозяйственного производства
Д.т.н. Ларионова А.М.
Московский
автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)», Россия
ПОВЕРХНОСТНЫЙ
СТОК ПРИ ПОЛИВЕ ДОЖДЕВАНИЕМ
В настоящее
время в России снижено внимание к мелиорации, соответственно к орошению и
технологии полива. Следует подчеркнуть, что без регулирования водного режима
почв не сможем получать хорошие урожаи сельскохозяйственных культур и обеспечить
страну продовольствием. Основные разработки сейчас нацелены на капельное орошение.
Однако, учитывая большие просторы российской земли, технологии полива должны
быть ориентированы на механизированный
способ полива или полив дождевальными машинами.
Известно, что
из-за несоответствия качества дождя впитывающей способности или
водопроницаемости почвы возникает поверхностный сток, который приводит к водной
эрозии почв.
Изучению
вопросов впитывания воды в почву и образования поверхностного стока при поливе
дождеванием посвятили свои работы многие российские и зарубежные ученые – С.Ф.
Аверьянов, А.И. Будаговский, В.В. Ведерников, А.И. Голованов, Н.С. Ерхов, А.Н.
Костяков, В.Я. Кулик, Б.О. Миленин, Б.Ф. Никитенков, Д.Р. Филипп, Ц. Матеев и
другие.
Для уменьшения водной эрозии почв при поливе дождеванием необходимо проводить
качественный полив, не допускающий поверхностного стока. Качество
дождя определяется равномерностью его распределения по площади и структурой дождя
– это интенсивность и крупность капель дождя. Показатели дождя должны обеспечить
рациональный режим влажности почвы, который зависит от трех основных факторов –
впитывающей способности почвы, интенсивности дождя и поливной нормы. Повышение
эффективности орошения дождеванием, с точки зрения сохранения плодородия почвы
и экономии поливной воды, возможно путем воздействия на все эти факторы.
Многими авторами и экспериментальными исследованиями автора отмечается, что
поверхностный сток при дождевании может образоваться и при малой интенсивности
дождя. Уменьшение интенсивности дождевания увеличивает объем поданной поливной
воды до образования поверхностного стока или «нормой до стока». При
этом уменьшение интенсивности дождя снижает производительность поливной техники
и увеличивает эксплуатационные затраты. Кроме этого, в условиях сильных ветров
и высокой испаряемости, снижение интенсивности дождя допустимо лишь до
определенных пределов /1-5/.
Более правильным курсом в этом
направлении является использование высокопроизводительной дождевальной техники
с умеренной интенсивностью дождя при параллельной разработке технологических и
агромелиоративных мероприятий по увеличению впитывающей способности почвы, а
равно нормы до стока и снижению объема
поверхностного стока при выдаче требуемой поливной нормы. К таким
мероприятиям можно отнести: прерывистость дождевания, уменьшение интенсивности
дождя, рыхление верхнего и пахотного слоев почвы, оструктуривание почв
химмелиорантами и др. При этом комплекс проводимых работ должен быть экономически
оправдан.
Однако в литературных источниках недостаточно
информации об объемах поверхностного стока при выдаче требуемой (расчетной)
поливной нормы с разной интенсивностью дождя и нет метода расчета объемов
стока.
Решение проблемы качественного полива
дождеванием и определения объемов стока при поливе является актуальным, своевременным, имеет важное
теоретическое и практическое значение.
Цель работы - установить зависимость
нормы до стока и объема поверхностного стока от интенсивности дождя, выдаваемой
поливной нормы, на примере бурых полупустынных почв Астраханской области.
Естественно, что для разных климатических условий и почвенных разностей будут получены свои
значения по водопроницаемости почвы,
поливной норме, норме до стока, объему стока, поэтому и предлагаемые
мероприятия будут различными, но метод расчета объема стока будет аналогичным.
Методика проведения опытов. Опыты по изучению поверхностного стока проведены
в Харабалинском районе Астраханской области на бурых полупустынных почвах, на неорошаемом участке в степной части при поливе опытной
дождевальной установкой с разной интенсивностью дождя (рис. 1). С помощью стоковой
площадки определены величина нормы до стока и объем поверхностного стока (объем
стока). Интенсивность дождя изменялась от 0,3 до 3,0 мм/мин, уклон поверхности
земли - от 0 до 0,005-0,01. Напорная труба удерживалась тремя раскосами из
стальной проволоки d=8 мм. Напор воды контролировался манометром, расход воды -
регулировался вентилем.
Рис. 1. Опытная установка для
дождевания со сменными насадками.
Опытная установка для дождевания включает
стальную трубу (напорная) диаметром d=20
мм и высотой 2 м, к которой привинчиваются сменные дефлекторные насадки от
ДДА-100МА.
Стоковая
площадка представляла собой квадратную металлическую раму стороной квадрата
33,4 см, площадью 1000 см2 и высотой 10 см. На глубину 5 см рама
врезалась в почву и на 5 см выступала над поверхностью земли, что
предотвращало поступление стоковой воды извне. На одной из сторон рамы имелся
водослив, грань которого устанавливается на уровне поверхности почвы. С внешней
стороны водосливной грани рамы приварен желоб, имеющий щель в 10 мм для сбора
стекающей воды. Водослив соединен резиновой трубкой для транспортировки
стекающей воды в стокомер, установленный в приямке и прикрытый сверху
полиэтиленовой пленкой. Для замера интенсивности дождя по углам площадки и по
площади ставились дождемеры. Во время опытов с дождеванием на стоковых
площадках фиксировалось время начала стока (в водосливе) и объем стока в стокомере
и замерялась интенсивность дождя.
Изучались
различные факторы, влияющие на водопроницаемость почвы и, соответственно, норму
до стока. Поливная норма для расчетов принята – 300 и 600 м3/га.
На стоковых площадках взрыхлялся верхний
(5…7 см) слой почвы. Перед поливом влажность 10 и 20 см слоя почвы составила
2,1 и 5,1%, объемная масса 20 см - 1,3…1,4 г/см3. Результаты полевых
опытов представлены на рис. 2 и 3.
|
Рис. 2. Зависимость нормы до стока (N) от интенсивности дождя (q) на нулевом уклоне: 1 - с рыхлением и 2 -
без рыхления почвы; 3 - на уклоне i=0,01
с рыхлением. |
|
Рис. 3. Процент
изменения нормы до стока (n,%) и объема стока (C) от интенсивности дождя (q):
1 - % повышения N от
рыхления почвы, 2 - % снижения N от уклона i=0,01;
3 - % повышения стока от повышения q. |
Экспериментально доказано, что при интенсивности дождя q=0,5…3,0
мм/мин поверхностный сток образуется на площади без рыхления при 215…98 м3/га
и с рыхлением - 256…120 м3/га.
Величина нормы до стока (N):
- снижается при повышении интенсивности дождя (q) с 0,5
до 1…3 мм/мин на безуклонной площади без рыхления на 33…55% и с рыхлением - на
26…53%; при увеличении уклона
поверхности земли (i) от 0 до 0,01 на
площади с рыхлением - с 25 до 34…30%;
- повышается от
рыхления верхнего слоя почвы при
интенсивности дождя q=0,5 мм/мин на 19% и q=1…3
мм/мин - на 32…25%.
Влияние
уклонов и взрыхленности почвы, в большей степени, определено при увеличении
интенсивности дождя более 1,20 мм/мин, поэтому для данных условий при дождевании
не следует превышать эту величину. По зависимости объема стока от вылитой воды
(поливной нормы) видно, что объем стока (C) повышается при
увеличении интенсивности дождя с q=1 до 2…3 мм/мин - с 10
до 26 …30% или получена практически линейная зависимость (рис. 3).
Анализ полученных опытных данных позволил определить зависимость объема стока от
поливной нормы, которая в пределах рассматриваемого времени дождевания до
30 минут носит линейный характер и выражается уравнением: С=
, м3/га, (1)
где С -
объем поверхностного стока (м3/га), величина которого повышается при
увеличении интенсивности дождя и поливной нормы (m);
N - норма до стока (м3/га);
β - тангенс
угла наклона кривой к горизонту и при интенсивности дождя q=1…3
мм/мин, который составил β=5,565…2,096.
Объем стока
(C) и процент стока (n), определенные по
зависимости (1), получены при норме до стока N=144…98 м3/га
и поливной норме (m):
m=300 м3/га -
объем стока С=28…97 м3/га, процент стока - n=9,3…32,3%;
m=600 м3/га -
объем стока C=82…240 м3/га, процент стока - n=13,7…40%.
При увеличении поливной нормы в 2 раза и интенсивности дождя от 1 до 3 мм/мин
повышается объем стока в 2,9…2,5 раза, процент стока - в 1,5…1,2 раза. Поэтому
после образования поверхностного стока необходимо
прекратить полив, так как при дальнейшем увеличении поливной нормы, резко
возрастает объем стока. Обработка опытных данных на ЭВМ позволила получить формулы
расчета объема поверхностного стока от поливной нормы и интенсивности дождя
(рис. 4).
Рис. 4.
Зависимость объемов поверхностного стока (С, м3/га) от поливной
нормы (m, м3/га) и интенсивности дождя: q=1,
2 и 3 мм/мин.
Величину стока можно определить по приведенной зависимости при соответствующих
величинах поливной нормы (m) и интенсивности дождя
(q):
1 мм/мин: С=0,176 m –
21,864, м3/га, (2)
2 мм/мин: С=0,439 m –
48,528, м3/га, (3)
3 мм/мин: С=0,431 m –
28,318, м3/га. (4)
Средняя ошибка результатов расчета по приведенным формулам (1 и 2…4) не
превышает 10% и для определения
объема поверхностного стока в данных
условиях можно использовать эти зависимости.
Среднюю скорость впитывания поливной нормы можно рассчитать по формуле: 
мм/мин, (5)
где mo и Сo - поливная норма и объем стока, в мм; q -
интенсивность дождя, мм/мин. Средняя скорость впитывания поливной нормы 60 мм
или 600 м3/га при интенсивности дождя q=1…3 мм/мин для данных
условий составит 0,86…1,80 мм/мин.
Для оценки скорости впитывания воды в почву при дождевании с разной
интенсивностью дождя применена формула А.Н. Костякова (1). Для расчета по
данной формуле определены значения эмпирических
коэффициентов «К» и «
». В расчетах получено, что при повышении интенсивности дождя
(q) с 0,5 до 1…3 мм/мин значение:
- «К» увеличивается с 0,79 до 1,59…4,32 мм/мин, не остается постоянным;
- показатель степени «
» отрицательный и значение его колеблется в пределах от -0,185
до -0,373.
При интенсивности
дождя q=1,0 мм/мин формула А.Н. Костякова примет вид:
Vt=1,59. t –0,253 , мм/мин (6)
Экспериментальные данные и расчеты позволили установить зависимость нормы
до стока и объема поверхностного стока от интенсивности дождя при поливе
дождеванием. Получено, что при увеличении интенсивности дождя снижается норма
до стока, но повышаются объем стока и водопроницаемость или впитывающая
способность почвы.
Резюме:
Получено, что в условиях Астраханской области необходимо назначать
поливную норму до 250…300 м3/га, а при поливе большей нормой следует
применять мероприятия по увеличению впитывающей способности почвы и снижению
объема поверхностного стока.
Литература
1. Гаврилица
А.О. Капельная эрозия почв при поливе дождеванием (на примере Молдавской ССР).
//Автореферат диссертации к.т.н., Киев, 1984 г.- 22 с.
2. Ерхов
Н.С. Мероприятия по предупреждению ирригационной эрозии почв при дождевании.
//Ж. Гидротехника и мелиорация. 1981 г., №6. - С. 54-58.
3. Кулик
В.Я. Инфильтрация воды в почву. //М. Колос, 1978 г., 94 с.
4.
Ларионова А.М. Проблемы орошения и пути повышения качества и эффективности
полива дождеванием (монография). Россельхозакадемия, М: 2008 г. – 62 с.
5. Рязанцев
А.И. Резервы снижения энерговодопотреления и обеспечения экологической
безопасности при дождевании. //Ж. Гидротехника и мелиорация №4, 2000 г.-
С.28-30.