- сумма дефицитов влажности воздуха за расчетный период, мм.
Второй метод предложен ФГБНУ «ВНИИ «Радуга», в нем испаряемость поля определяется по модифицированной формуле Н. Н. Иванова [12, 13]:
, (4)
где - энергетический фактор испарения, мм/мбар;
- дефицит влажности воздуха, мбар;
- функция, учитывающая влияние скорости ветра на высоте 2 м от уровня почвы.
Произведение для упрощения расчетов предлагаем преобразовать в следующее выражение:
, (5)
где - среднесуточная температура воздуха, °С;
- среднесуточная относительная влажность воздуха за этот же период, %.
Авторами были аппроксимированы в Microsoft Office Excel и получены уравнения взаимосвязи ветровой функции и скорости ветра; уравнения для расчета понижающего коэффициента на изменение скорости ветра с любой высоты к высоте 2 м; микроклиматические и биоклиматические (биологические) коэффициенты водопотребления; уравнения подпитывания грунтовых вод и инфильтрации, на основании которых разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета влагозапасов в почве и корректировки режима орошения.
Кривая взаимосвязи ветровой функции и скорости ветра, приведенная на рисунке 1, описывается уравнением:
. (6)
Показатели понижающего коэффициента () для приведения скорости ветра с любой высоты () к расчетной высоте 2 м над уровнем почвы представлены на рисунке 2, они описываются уравнением:
. (7)
Рисунок 1 - Взаимосвязь ветровой функции и скорости ветра
Рисунок 2 - Зависимость для перевода скорости ветра
к расчетной высоте 2 м над уровнем поверхности почвы
ветровой агроклиматический орошение автоматизация
Для определения суммарного испарения конкретного поля () с конкретной «» культурой необходимо иметь показатели биологического () и микроклиматического () коэффициентов этой культуры в динамике от всходов до созревания по уравнению:
, (8)
где - суммарное испарение (водопотребление) поля, мм;
- испаряемость с поля, мм;
- биоклиматический коэффициент;
- микроклиматический коэффициент.
Микроклиматический коэффициент () учитывает изменение микроклимата сельскохозяйственного поля под влиянием орошения. Он зависит от условий природной увлажненности конкретной территории и размера орошаемого массива .
Авторами получены уравнения, позволяющие рассчитывать этот коэффициент по коэффициенту увлажнения (), например, для гумидной зоны России:
. (9)
Для аридной зоны:
. (10)
Биоклиматический коэффициент () водопотребления «» культуры характеризует роль растений в эвапотранспирации. Каждой сельскохозяйственной культуре свойственны свои коэффициенты, которые изменяются в динамике от всходов до созревания и зависят от многих внешних факторов и особенностей растений, поэтому они рассчитываются для каждой отдельной культуры и конкретных агроклиматических условий.
Обобщение и математический анализ многолетних исследований позволяют рассчитать коэффициенты и распространить их на районированные по условиям тепловлагообеспеченности зоны России. Авторами получены биоклиматические коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур для агроклиматических зон с различными коэффициентами природной увлажненности. В таблице 1 приводятся биоклиматические коэффициенты для аридной зоны (восточной части Ростовской и Волгоградской областей) с = 0,3-0,4 и в таблице 2 - для гумидной зоны (Рязанской области) с = 0,7-0,8.
Таблица 1 - Биоклиматические коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур для восточной части Ростовской и Волгоградской областей с Ку = 0,3-0,4
|
Культура |
Уравнение |
Достоверность аппроксимации |
|
|
Кукуруза на зерно |
y = -5E-10x3 + 1E-06x2 - 0,0002x + |
R2 = 0,99 |
|
|
Кукуруза на силос |
y = -2E-07x2 + 0,0008x + 0,3708 |
R2 = 0,94 |
|
|
Кукуруза пожнивная |
y = -5E-10x3 + 1E-06x2 - 0,0003x + |
R2 = 0,98 |
|
|
Свекла кормовая |
y = -3E-07x2 + 0,0009x + 0,3808 |
R2 = 0,83 |
|
|
Картофель поздний |
y = 4E-13x4 - 2E-09x3 + 3E-06x2 - |
R2 = 0,96 |
|
|
Томаты |
y = -4E-07x2 + 0,0009x + 0,5921 |
R2 = 0,93 |
|
|
Огурец |
y = -4E-07x2 + 0,0009x + 0,5721 |
R2 = 0,93 |
|
|
Лук, морковь, зелень и пр. |
y = -3E-07x2 + 0,0008x + 0,5568 |
R2 = 0,94 |
|
|
Капуста поздняя |
y = -3E-07x2 + 0,0008x + 0,6023 |
R2 = 0,94 |
|
|
Свекла столовая |
y = -2E-10x3 + 1E-07x2 + 0,0005x + |
R2 = 0,92 |
|
|
Люцерна прошлых лет, сумма температур нарастающим итогом от возобновления вегетации до 1-го укоса составляет 0-800 °С |
y = 0,0006x + 0,6695 |
R2 = 0,98 |
|
|
Люцерна прошлых лет, |
y = 0,0007x + 0,0495 |
R2 = 0,98 |
|
|
Люцерна прошлых лет, |
y = -419,13x2 + 2137,9x - 384,03 |
R2 = 0,98 |
|
|
Люцерна прошлых лет, |
y = 0,0007x - 1,1208 |
R2 = 0,95 |
|
|
Люцерна подпокровная, |
y = 0,0008x + 0,3605 |
R2 = 0,94 |
|
|
Люцерна подпокровная, |
y = 0,0007x - 0,0565 |
R2 = 0,97 |
|
|
Люцерна подпокровная, |
y = 0,0006x - 0,4892 |
R2 = 0,97 |
Таблица 2 - Биоклиматические коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур для Рязанской области с Ку = 0,7-0,8
|
Культура |
Уравнение |
Достоверность аппроксимации |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
Колосовые яровые |
у = 2E-10x3 - 1E-06x2 + 0,0012x + 0,6609 |
R2 = 0,8691 |
|
|
Озимая пшеница |
y = -4E-07x2 + 0,0006x + 0,828 |
R2 = 0,8815 |
|
|
Кукуруза на силос |
y = -2E-07x2 + 0,0005x + 0,7 |
R2 = 0,8246 |
|
|
Морковь |
y = -2E-07x2 + 0,0004x + 0,7779 |
R2 = 0,8184 |
|
|
Картофель поздний |
y = 7E-11x3 - 6E-07x2 + 0,0009x + 0,6299 |
R2 = 0,8614 |
|
|
Капуста поздняя |
y = -1E-07x2 + 0,0003x + 0,8324 |
R2 = 0,9356 |
|
|
Многолетние травы, |
y = 2E-08x2 + 0,0002x + 0,8935 |
R2 = 0,9918 |
|
|
Многолетние травы, |
y = 3E-07x2 - 0,0005x + 0,9834 |
R2 = 0,9886 |
|
|
Многолетние травы, |
y = 3E-07x2 - 0,001x + 1,5514 |
R2 = 0,9886 |
|
|
Многолетние травы, |
y = 3E-20x2 + 0,0005x - 0,55 |
R2 = 0,9910 |
Уравнения, представленные в таблицах 1 и 2, выражающие в динамике биоклиматические коэффициенты водопотребления культур, приведены во взаимосвязи с суммой температур нарастающим итогом от даты посева или начала отрастания растений, т. е. «» в уравнениях - это сумма температуры от всходов на дату определения коэффициента. Уравнения использованы при разработке программного обеспечения расчетов влагозапасов в почве и сроков полива в соответствии с алгоритмом, приведенным на рисунке 3.
Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма расчета водного баланса орошаемого поля (участка)
При назначении экологически безопасных поливных норм инфильтрации оросительной воды практически не наблюдается, поэтому в блок-схеме на рисунке 3 она не учитывается.
На основании алгоритмов, приведенных на рисунках 3 и 4, авторами было разработано программное обеспечение, которое позволяет рассчитывать влагозапасы в почве и корректировать режим орошения большинства сельскохозяйственных культур, возделываемых на орошаемых землях, а также моделировать различные варианты метеоусловий и определять расчетные сроки полива для различных культур в зависимости от тепловлагообеспеченности.
Рисунок 4 - Блок-схема расчета режима орошения (нетто и брутто)
Окно программы для расчетов сроков полива в среде Microsoft Office Excel представлено на рисунке 5.
Рисунок 5 - Окно расчета водного баланса поля и сроков полива
Для расчета сроков полива необходимо определить начальные влагозапасы в почве и вести посуточно расчет эвапотранспирации для каждого орошаемого поля с фактически высеянной культурой при использовании биоклиматических коэффициентов и показателей метеопараметров.
Выводы. На основании обобщения и анализа многолетних исследований, проведенных учеными РосНИИПМ и других институтов, получены биоклиматические коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур, разработана и апробирована методика расчета влагозапасов в почве и определения сроков полива сельскохозяйственных культур по метеопараметрам для различных условий тепловлагообеспеченности конкретных территорий с коэффициентами природной увлажненности = 0,3-0,4 и = 0,7-0,8. Предложенные алгоритмы расчетов влагозапасов почвы и сроки полива реализованы в разработанном программном обеспечении в среде Microsoft Office Excel и Delphi, которые позволяют проводить различные сценарные исследования режимов орошения и водопотребления сельскохозяйственных культур при изменении климатических условий.
Список использованных источников
1 Щедрин, В. Н. Стратегия инновационного развития мелиоративного комплекса России на период 2012-2020 гг. / В. Н. Щедрин [и др.]; РосНИИПМ. - М., 2011. - 48 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 19.07.2011, № 348-В2011.
2 Балакай, Г. Т. Развитие мелиорации - основа стабилизации производства сельскохозяйственной продукции в России / Г. Т. Балакай // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2011. - № 2(02). - 9 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec22-field6.pdf.
3 Стратегия инновационного развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:pandia.ru/text/78/227/27573.php.
4 О Концепции федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы»: распоряжение Правительства РФ от 22 января 2013 г. № 37-р [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:garant.ru/products/ipo/prime/doc/70204250/#ixzz4Mwhv3zfi.
5 Стратегия развития сельского хозяйства в условиях присоединения России к ВТО [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:mcx-consult.ru/strategii--razvitiya--selskogo--hoz.
6 ФЦП «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы»: постановление Правительства РФ от 12 октября 2013 г. № 922 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:base.garant.ru/70478356/.
7 О мерах по реализации государственной научно-технической политики в интересах развития сельского хозяйства: указ Президента РФ от 21 июля 2016 г. № 350 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:rulaws.ru/president/Ukaz-Prezidenta-RF-ot-21.07.2016-N-350/.
8 Балакай, С. Г. Эффективность режимов орошения сорго зернового на черноземах / С. Г. Балакай // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2013. - № 08(092). - С. 652-670. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2013/08/pdf/05.pdf.
9 Балакай, С. Г. Влияние струйного внутрипочвенного полива семян при посеве на рост и урожайность баклажанов / С. Г. Балакай // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2016. - № 1(61). - С. 28-32.
10 Щедрин, В. Н. Изменчивость природного увлажнения территории Северного Кавказа / В. Н. Щедрин, И. Н. Ильинская // Мелиорация и водное хозяйство. - 2002. - № 5. - С. 23-24.
11 Нормы расходов воды потребителей систем сельскохозяйственного водоснабжения: ВНТП-Н-97: утв. Минсельхозпродом РФ от 14.02.95: введ. в действие с 01.04.97 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:gostrf.com/norma_data/10/10093/
index.htm.
12 Данильченко, Н. В. Природная тепло-, влагообеспеченность Центрально-Черноземных областей России и ее влияние на параметры орошения и урожайность / Н. В. Данильченко [и др.]. - М., 2000. - 170 с.
13 Ильинская, И. Н. Расчет экологически безопасных норм водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур / И. Н. Ильинская, В. М. Игнатьев // Вестник РАСХН. - 2003. - № 5. - С. 26-28.
14 Константинов, А. Р. Нормирование орошения: методы, их оценка, пути уточнения / А. Р. Константинов, Э. А. Струнников // Гидротехника и мелиорация. - 1986. - № 1. - С. 19-27.
15 Ильинская, И. Н. Нормирование водопотребления для орошения сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе: монография / И. Н. Ильинская; РосНИИПМ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 164 с.
16 Укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур Центрального, Приволжского, Уральского, Сибирского, Южного и Северо-Кавказского федеральных округов: Свод правил [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:raduga-poliv.ru/activity/2010_2.php.
17 Гидравлические и оптимизационные расчеты магистрального и распределительных каналов различного порядка оросительной системы («RasChet.canal»): свидетельство ФИПС на гос. регистрацию программы для ЭВМ / В. Н. Щедрин [и др.]. - № 2014619417 от 16.09.14; заявл. 31.07.14, № 2014617618. - 9 с.