Методика расчета и корректировки сроков полива сельскохозяйственных культур
Г.Т. Балакай
Цель - разработать методику расчета и корректировки сроков полива сельскохозяйственных культур для различных агроклиматических условий с использованием разработанного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать и ускорять процессы расчетов и корректировки режимов орошения. В задачи исследований входило: обобщить и проанализировать особенности водопотребления сельскохозяйственных культур в различных агроклиматических условиях; создать алгоритмы расчета и корректировки режима орошения; рассчитать биоклиматические коэффициенты водопотребления и другие коэффициенты для различных условий тепловлагообеспеченности и разработать программное обеспечение с их использованием для расчета сроков полива. Новизна исследований состоит в разработке программного обеспечения, позволяющего автоматизировать и ускорить процессы расчетов и корректировки режимов орошения. Приведен обзор наиболее распространенных расчетных методов определения сроков полива и водопотребления: А. М. и С. М. Алпатьевых, Г. К. Льгова, Н. Н. Иванова, Н. В. Данильченко, Х. Л. Пенмана, Л. Тюрка и Х. Ф. Блейни - В. Д. Криддла, которые позволяют рассчитать суточное испарение для различных культур. Предлагается наиболее точный метод определения испаряемости по формуле Н. Н. Иванова в модификации Н. В. Данильченко на основе исходных запасов влаги в почве и ежесуточных метеорологических показателей (осадки, относительная влажность воздуха, температура, скорость ветра, радиация и пр.) с применением биоклиматических коэффициентов водопотребления, уточненных для Ростовской, Волгоградской и Рязанской областей. Приводятся алгоритмы расчетов и корректировки сроков полива и программное обеспечение расчета сроков полива, которое позволит вести оперативную корректировку сроков и норм полива с экономией оросительной воды.
Ключевые слова: орошение, мелиорация, биоклиматические коэффициенты водопотребления, алгоритм, программа расчета, сроки полива, режим орошения.
The aim of the work is to develop the methodology for calculating and correcting the agricultural crops irrigation schedule for different agro-climatic conditions with the developed software, allowing computerizing and increasing the processes of calculations and the irrigation regimes correction. The research objectives were: to summarize and analyze the peculiarities of crops water consumption under different agro-climatic conditions; to create algorithms for calculating and adjusting irrigation regime; to calculate bioclimatic coefficients of water consumption and other factors for different conditions of heat and moisture provision and to develop software using them to calculate the irrigation schedule. The novelty of the research is to develop software that helps to computerize and accelerate the calculating and correcting processes of irrigation schedules. An overview of the most common calculation methods for determining the terms of irrigation and water use Alpatiev A. M. and S. M., Lgov G. K., Ivanov N. N., Danilchenko N. V., Penman Ks. L., Turk L. and Blaney Kh. F. - Kriddl V. D. that allow to calculate daily evaporation for different cultures is given. The most accurate method of determining evaporation by Ivanov N. N.'s formula in Danilchenko N. V. modification on the basis of the initial moisture reserves in soil and daily meteorological data (rainfall, relative air humidity, temperature, wind speed, radiation, etc.) with the use of bioclimatic coefficients of water consumption, specified for Rostov, Volgograd and Ryazan regions is offered. The calculation and correcting algorithms of irrigation schedule and software to calculate the terms of irrigation, which will allow to conduct an operational adjustment of irrigation scheduling and norms with irrigation water savings are suggested.
Keywords: irrigation, land reclamation, bioclimatic factors of water consumption, algorithm, calculation program, irrigation schedule, irrigation mode.
В засушливых регионах России орошение является одним из основных факторов получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. Вместе с тем площади орошаемых земель уменьшились с 11,5 до 9,1 млн га по сравнению с 1990 г. Основные орошаемые массивы сохранились там, где были построены крупные инженерные оросительные системы, такие как Донской магистральный канал, Большой Ставропольский канал, Терско-Кумский канал и др. Вода в эти оросительные системы поступает из крупных рек: Дона, Кубани, Терека.
В настоящее время начался ежегодный прирост орошаемых земель. Это связано с распоряжением Президента РФ о субсидировании сельхозтоваропроизводителям части затрат (до 50 %) на строительство, реконструкцию и техническое перевооружение внутрихозяйственных оросительных сетей и принятием федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 гг.» [1, 2].
Важнейшими условиями увеличения орошаемых площадей и успешного ведения орошаемого земледелия являются разработка стратегии инновационного развития мелиоративного комплекса [3, 4], рациональное использование водных ресурсов в связи с их дефицитом, а также увеличение урожайности сельскохозяйственных культур на орошаемых землях до 9-10 т к. е. с 1 га на основе реализации научно-технического прогресса в мелиорации земель [4-7]. Для этого необходимо разработать и внедрить севообороты и структуру посевных площадей на орошаемых землях, отвечающие требованиям современного рынка, увеличить долю кормовых культур, и особенно многолетних трав, способствующих сохранению плодородия почвы. Перспективно в этом направлении применение усовершенствованных технологий возделывания зерновых культур, дающих при орошении до 14-16 т/га зерна (или около 20 т к. е. с 1 га) [8].
В связи с необходимостью рационального использования водных ресурсов все острее встает вопрос разработки ресурсосберегающих режимов орошения и способов полива сельскохозяйственных культур. Одним из вариантов целесообразного водопотребления является освоение новых способов полива, например, струйного внутрипочвенного полива семян при посеве [9], обоснование рационального соотношения орошаемых и богарных земель, расширение орошаемых площадей системами капельного орошения, внедрение дифференцированных режимов орошения, позволяющих уменьшать оросительную норму на 15-20 % [10].
Однако исполнительные органы при выдаче разрешения на водопользование в целях орошения сельскохозяйственных культур используют в своей работе оросительные нормы, приведенные в ВНТП-Н-97 «Нормы расходов воды потребителей систем сельскохозяйственного водоснабжения» [11], в перечне которых отсутствуют показатели по кормовым культурам, а из зерновых культур приведены лишь данные по кукурузе на зерно. По овощным культурам приведен один усредненный показатель оросительной нормы. Этот документ требует переработки и распространения не только на приусадебные участки и подворья, на которые он рассчитан, но и на крупные поля сельхозпредприятий с множеством культур, выращиваемых при орошении различными способами. РосНИИПМ (ЮжНИИГиМ) и другими научными учреждениями накоплено большое количество данных многолетних исследований и разработаны рекомендации по режимам орошения и нормам водопотребности [10-15].
Применение накопленных наукой знаний позволяет рационализировать методы орошения, получать достоверные показатели оросительных норм и экологически безопасных режимов орошения сельскохозяйственных культур, что в сочетании с усовершенствованными технологиями возделывания будет способствовать повышению эффективности орошаемого земледелия. Только в этом случае мелиорация земель станет привлекательной для вложения инвестиций на восстановление мелиоративных систем и расширение площадей орошаемых земель.
Цель исследований - разработать методику расчета и корректировки сроков полива сельскохозяйственных культур для различных агроклиматических условий с использованием полученных биоклиматических коэффициентов и разработанного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать и ускорять процессы расчетов и корректировки режимов орошения. В статье приведены полученные авторами биоклиматические коэффициенты для большинства сельскохозяйственных культур, выращиваемых на орошаемых землях для двух агроклиматических зон с коэффициентами природной увлажненности (), равными 0,3-0,4 и 0,7-0,8.
Одним из самых низкозатратных способов рационального использования водных ресурсов является грамотное управление технологией орошения, включающей в первую очередь научно обоснованные режимы орошения и нормы водопотребности.
Для определения срока начала полива сельскохозяйственной культуры существует более десяти различных методов: термостатно-весовой, по концентрации клеточного сока, с применением тензиометров (изменение осмотического давления), по фазам развития, по визуальному состоянию растений и почвы, расчетные методы по метеопараметрам и т. п.
Наиболее точный метод - это термостатно-весовой, но он трудоемкий, используется в основном в научных исследованиях. В последние годы начали широко применять различные датчики влажности почвы, закладываемые на расчетную глубину почвы (тензиометры), однако они размещаются в отдельных точках поля и не могут давать характеристику влажности почвы по всему полю.
Широкое распространение получили также расчетные методы определения сроков полива по испаряемости на основе исходных запасов влаги в почве и ежесуточных метеорологических показателей (осадки, относительная влажность воздуха, температура, скорость ветра, радиация и пр.). По этим показателям можно рассчитать суточное испарение для различных культур с использованием биоклиматических коэффициентов, вычисляемых по методам А. М. и С. М. Алпатьевых, Г. К. Льгова, Н. Н. Иванова, Н. В. Данильченко, Х. Л. Пенмана, Л. Тюрка, Х. Ф. Блейни - В. Д. Криддла и др. [3, 6, 7, 12, 13].
Эти методы позволяют достаточно точно рассчитывать и корректировать режимы орошения в период вегетации культур, а также устанавливать оросительные нормы (нормы водопотребности) для различных лет тепловлагообеспеченности. Но для расчетов необходимы биоклиматические коэффициенты для каждой сельскохозяйственной культуры, полученные на основе многолетних кропотливых исследований в определенных климатических условиях.
Материалы и методы. Материалами для расчетов биоклиматических коэффициентов водопотребления растений послужили архивные данные многочисленных исследований сотрудников РосНИИПМ (ЮжНИИГиМ), ВолжНИИГиМ, ВНИИОЗ, ВНИИ «Радуга» и других институтов. На их основе институтами ВНИИ «Радуга» и РосНИИПМ разработан нормативный документ - Свод правил «Укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур Центрального, Приволжского, Уральского, Сибирского, Южного и Северо-Кавказского федеральных округов», рассмотренный и одобренный на секции мелиорации НТС Минсельхоза России (протокол № 5 от 11 июля 2012 г.) [16]. Однако в Своде правил приведены показатели водопотребления в форме таблиц, которые невозможно применять для разработки программ автоматизированного расчета испарения и сроков полива, поэтому авторами были систематизированы имеющиеся данные, аппроксимированы с использованием возможностей Microsoft Office Excel и получены математические зависимости биоклиматических коэффициентов водопотребления в связи с суммой температур нарастающим итогом от всходов (или начала вегетации).
Алгоритмы расчетов сроков полива с использованием полученных биоклиматических коэффициентов были разработаны и реализованы в программной среде Delphi и Microsoft Office Excel, позволяющие автоматизировать расчеты эвапотранспирации по метеопараметрам и сроков полива сельскохозяйственных культур.
Результаты и обсуждение. Теоретической основой расчетных методов служит то, что при оптимальном водоснабжении растений существует тесная связь между испарением влаги сельскохозяйственными и энергетическими ресурсами атмосферы, которые оцениваются таким комплексным показателем, как испарение с поля (может использоваться термин суммарное водопотребление или эвапотранспирация).
В РосНИИПМ в последние годы проводились исследования, и разработаны математические модели расчета продуктивных влагозапасов в почве и корректировки режимов орошения по метеопараметрам с учетом агроклиматических условий конкретного орошаемого участка [17].
Активные влагозапасы в расчетном слое почвы предлагается определять по формуле:
, (1)
где - активные влагозапасы в расчетном слое почвы, мм;
- наименьшая влагоемкость, мм;
- начальные влагозапасы, мм;
- влажность почвы, соответствующая допустимому порогу влажности, в долях от наименьшей влагоемкости , например, для зерновых - 0,7 НВ, для овощных культур - 0,8 НВ.
Для корректировки режима орошения культур необходимо иметь показатели начальных влагозапасов в почве при посеве, а в дальнейшем производить их расчеты посуточно (или за пять суток или одну декаду) и осуществлять корректировку влагозапасов путем проведения очередных поливов. Динамику изменения влагозапасов в почве и дефицит водопотребления предлагаем определять по уравнению баланса влаги в почве по формуле:
, (2)
где - влагозапасы в расчетном слое почве, мм;
- почвенные влагозапасы на начало расчетного периода, мм;
- сумма атмосферных осадков за период, мм;
- капиллярное подпитывание из грунтовых вод при близком их залегании, мм;
- потери на инфильтрацию, мм;
- эвапотранспирация (испарение с поля) сельскохозяйственной культуры, мм.
В России наибольшее практическое применение получили два метода расчета суммарного испарения () орошаемого поля по метеопараметрам.
Первый - это метод А. М. и С. М. Алпатьевых, основанный на использовании упрощенной формулы Н. Н. Иванова [3, 6, 7]:
, (3)
где - суммарное испарение орошаемого поля, мм;
- коэффициент пропорциональности между испаряемостью и дефицитом влажности воздуха, равный 0,61;