СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИВНЫХ НОРМ ПРИ КАПЕЛЬНОМ ОРОШЕНИИ ТОМАТОВ Российский патент 2003 года по МПК A01G25/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, более конкретно - к сельскохозяйственной мелиорации, в частности к капельному орошению томатов.

Известен способ определения поливной нормы сельскохозяйственных культур, включающий инструментальное определение объемной массы и величины пахотного слоя, глубины промачивания и влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности почвы с корректировкой нормы полива по слою выпавших за время полива осадков по формуле
m_н = 100•γ•h•(W_н.в-W_o), (1)
где m_н - поливная норма, количество воды (м³), подаваемое на 1 га орошаемой площади в течение одного полива, м³/га;
γ - объемная масса расчетного слоя почвы, т/м³;
h - глубина увлажняемого слоя почвы, м;
W_H.B - влажность почвы в слое h при наименьшей влагоемкости, % сухой массы;
W_o - предполивная влажность почвы в слое h, % сухой массы,
или с учетом выпавших в день полива осадков
m_н = 100•h•(W_H.B.-W_o)-10Р, (2)
где Р - осадки, выпавшие в день полива, мм (см., например, Мелиорация: Энцикл. справочник / Редкол.: Шамякин И.П. (гл. ред.) и др.; под общ. ред. Мурашко А.И. - Минск: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - 567 с., ил. 1 л., ил. - с. 306).

К недостаткам вышеприведенного способа определения поливных норм относится то, что при определении норм полива по формулам (1) и (2), полученных на основе аналитических выкладок Костякова А.Н., капельное орошение овощных культур приводит к неоправданно завышенным нормам расхода поливной воды.

При капельном орошении различают две разновидности увлажнения почвы - точечное и локальное. Применяемые в основном для полива садов и виноградников увлажнители, на которых размещены капельницы, укладываются в рядах на расстоянии один от другого не менее 1 м. В связи с этим на орошаемых участках после проведения полива отсутствует смыкание контуров увлажнения. Поэтому использование вышеприведенной формулы для расчета поливных норм на системах капельного орошения приводит к завышению расчетных значений в два-три раза по сравнению с фактическим расходом воды. При капельном орошении овощных культур капельницы по длине увлажнителя размещают на расстоянии между ними 0,4 - 0,5 м. Смыкание контуров увлажнения между капельницами вдоль поливных трубопроводов при таком способе полива и образование сплошной полосы (ленты) увлажнения вдоль капельных водовыпусков происходит только при беспрерывном поливе продолжительностью от 3 до 5 часов.

Известен способ определения поливной нормы при капельном орошении, включающий инструментальное определение объемной массы, глубины расчетного слоя почвы, величины увлажняемого горизонта, установление исходной влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности с корректировкой нормы полива с учетом выпавших осадков по формуле
m_нетто = 100h•α•S•(ωh_н.в-ωh_н.г), (3)
где m_нетто - фактическая поливная норма, выданная системой капельного орошения, м³/га;
h - глубина расчетного слоя почвы, м;
α - объемная масса почвы, т/м³;
ωh_н.в - наименьшая влагоемкость, процент от массы абсолютно сухой почвы, %;
ωh_н.г - порог нижней границы увлажнения
ωh_н.г = λ•ωh_н.в, (4)
где λ - коэффициент предполивной влажности почвы, соответствующий нижней границе оптимального увлажнения, в долях единицы;
S - доля площади, подлежащая увлажнению при капельном орошении
S = n •W/(а•в), (5)
где n - число водовыпусков под одним растением;
W - площадь увлажнения одним водовыпуском, м²;
а - расстояние между деревьями в ряду, м;
в - расстояние между рядами деревьев, м,
при котором корректировку поливной нормы с учетом величины выпавших в очаге увлажнения осадков производят по формуле
Р_к = 10•S•У•P, (6)
где Р_к - количество выпавших осадков на учетной площади, м³/га;
У - доля осадков, попадающих под крону орошаемых деревьев;
Р - выпавшие в период проведения полива осадки по данным ближайшей метеостанции или фактическому измерению их на поле с помощью дождевальных стаканов, мм (см. Капельное орошение (Пособие к СНиП 2.06.03-85). Мелиоративные системы и сооружения (Утверждено приказом Союзводпроект СССР от 11.04.1986 г., 113). - М.: Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. - В/О "Союзводпроект". - 1986. - С.21 и 22).

К недостаткам описанного способа определения поливных норм при капельном орошении, в частности томатов, относятся завышенные нормы полива в пределах 30 - 70% от потребной величины для получения заданной (расчетной) урожайности.

Из уровня техники и технологии капельного орошения известен способ определения поливной нормы в условиях локального увлажнения почвогрунта, включающий инструментальное определение объемной массы, глубины увлажнения, влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности с корректировкой нормы полива с учетом выпавших осадков по формуле
m_нетто = 10•h•S•(Wh_Н.В-Wh_Н.Г), (7)
где m_нетто - поливная норма нетто в условиях локального увлажнения почвогрунта, м³/га;
h - расчетная глубина слоя почвы, мм;
S - доля площади питания растений, подлежащая увлажнению;
Wh_Н.В - наименьшая влагоемкость расчетного слоя почвы, мм;
Wh_Н.Г - предполивная влажность расчетного слоя почвы, мм,
при этом делают поправку с учетом выпавших осадков в расчете водного баланса орошаемого массива при способах локального увлажнения по выражению
P_s = 10•S•У•P, (8)
где S - доля площади, подлежащая увлажнению при капельном орошении, %;
У - доля осадков, приходящихся на проектную увлажняемую площадь;
Р - выпавшие осадки, мм,
далее уточняют продолжительность полива из аналитической зависимости
t = m_нетто1000/(n•q₀•η), (9)
где n - количество капельниц или микродождевателей на одном гектаре, шт. ;
q₀ - расход капельницы или микродождевателя, л/ч;
η - коэффициент использования воды, учитывающий непроизводительные потери воды на поливном участке (η₁ = 0,98 - для капельного орошения и η₂ = 0,90 - для подкронового дождевания) (см., например, Дополнение к пособию СНиП 2.06. 03-85 "Капельное орошение". Проектирование систем капельного и подкронового орошения на базе технологических средств Симферопольского завода. - М. : Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. В/О "Союзводпроект" - 1988. - С. 8 и 9).

Несмотря на ряд введенных поправочных коэффициентов в формулах (7)-(9) для определения величины требуемой поливной нормы, они не описывают реалии капельного полива при возделывании овощных культур, в частности томатов, посаженных полосами под известными системами капельного орошения.

Известен также способ определения поливных норм при капельном орошении, включающий использование экспериментальных данных по определению объемной массы, расчетного пахотного слоя почвы, глубины увлажнения, влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности с коррективкой нормы полива с учетом выпавших осадков, величину поливной нормы устанавливают расчетом по формуле
m = 10V_ш.c•γ•(β_н.в-β_п.в), (10)
где m - поливная норма, м³/га;
V_ш.c = (2/3)πR²H - контур увлажнения под капельницей для средних и тяжелых почв, м³;
R - радиус шарового сектора, м;
Н - высота шарового слоя (расчетная высота увлажняемого контура), м;
γ - плотность почвы, т/м³;
β_н.в - влажность почвы, равная наименьшей влагоемкости, %;
β_п.в - средняя предполивная влажность, %;
а для легких почв, где вертикальная фильтрация значительно превышает горизонтальную, расчет поливной нормы проводят согласно выражению
m = 10•[πH(R²+rR+r²)/3]•γ•(β_н.в-β_п.в), (11)
где Н - высота усеченного конуса, м;
R и r - радиусы оснований усеченного конуса, м (см. Храбров М.Ю. Расчет распространения влаги в почве при капельном орошении / Мелиорация и водное хозяйство. -1999. - 4. - С. 34 и 35).

Этот способ определения поливной нормы при капельном орошении нами принят в качестве наиближайшего аналога.

К недостаткам данного способа относится то, что водопроницаемость почвы учитывается только за счет распределения влаги в почвенных агрегатах под действием гравитационного потенциала.

Сущность данного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение точности в расчетах при определении исходных величин поливных норм при капельном орошении сельскохозяйственных культур, в частности томатов.

Технический результат - снижение себестоимости растениеводческой продукции, увеличение интервала времени между поливами, повышение качества полива в результате увеличения равномерности распределения слоя осадков во времени, промачивание верхнего слоя почвы, впитывание влаги почвой, снижение инфильтрационных потерь и водной эрозии почвы на орошаемом поле.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения поливных норм при капельном орошении томатов, включающем инструментальное определение объемной массы, величины расчетного пахотного слоя почвы, глубины увлажнения, влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности с корректировкой нормы полива с учетом выпавших осадков, согласно изобретению откалиброванную или эталонную капельницу с инструментально определенными характеристиками устанавливают на орошаемом участке установленного типа почвы и посредством нее определяют потребный объем водоподачи
V = a•в•h•α•k_н•(W_н.в-λW_н.в), (12)
где V - объем водоподачи, м³;
а - расстояние между капельницами, м;
в - ширина полосы увлажнения, м;
h - глубина промачивания слоя, м;
α - объемная масса почвы, т/м³;
k_Н - коэффициент, учитывающий степень порозности почвы и водопроницаемости на всей площади орошаемого участка при капельном способе полива;
W_H.B - средняя влажность активного слоя почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости, % массы сухой почвы;
λ - коэффициент предполивной влажности почвы, соответствующей нижней границе увлажнения, в долях единицы,
затем рассчитывают время полива
t = V/q, (13)
где t - время полива, ч;
q - расход одной капельницы, л/ч,
после этого уточняют поливную норму по формуле
m = (V₁•t)/F₁, (14)
где m - фактическая поливная норма, м³/га;
V₁ - объем водоподачи на орошаемый участок в течение фиксируемого времени, м³;
F₁ - площадь орошаемого участка (брутто), га;
t - продолжительность полива, ч.

За счет установки эталонной капельницы на орошаемом участке с высаженной рассадой томатов применительно к имеющейся системе водораспределительной сети капельного орошения экспериментально устанавливают зону увлажнения и водоподачу до смыкания орошаемых участков между смежными водовыпусками - капельницами. Этим достигается вышеуказанный технический результат.

Проведенный заявителем анализ уровня технологий капельного полива, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, заключаются в следующем.

Рассаду томатов сорта Новичок высаживали 28 мая 2000 года на орошаемом поле, оборудованном системой капельного орошения "NAAN" (производство Израиль). Предлагаемый способ определения поливной нормы включает последовательное выполнение следующих операций: инструментальное определение объемной массы почвы на данном орошаемом поле, по почвенному разрезу определяют пятикратно величину пахотного слоя, далее глубину увлажнения, одним из известных приемов с точностью до ±0,1% определяют влажность слоя при наименьшей влагоемкости, предполивную влажность и количество выпавших осадков перед снятием характеристик. На основе имеющихся данных рассчитывают величину безразмерного коэффициента β, учитывающего потери воды на испарение в процессе полива и ее просачивания ниже корнеобитаемого слоя по формуле
β = m_б/m_н, (15)
где m_б - поливная норма брутто, м³/га;
m_н - поливная норма нетто, м³/га.

В районах возделывания томатов в условиях юга Российской Федерации величина коэффициента β варьирует в диапазоне 1,10 - 1,15.

Затем в системе капельного орошения подключают откалиброванную или эталонную капельницу и инструментально определяют показатели ее характеристики. Размещают эту капельницу в месте, характерном для всего массива почв на орошаемом поле.

В сложившихся условиях и имеющейся системе водоподачи для капельного увлажнения в частном случае расстояние между смежными капельницами было равным а = 0,4 м; ширина полосы увлажнения в = 0,5 м; глубина активного слоя при возделывании томатов принята равной h = 0,5 м; наименьшая влагоемкость равна W_H.B = 24,2% от массы абсолютно сухой почвы; объемная масса почвы для слоя 0 - 0,5 м составила α 1,29 т/м³; средний фактический расход эталонной капельницы, установленной по девяти мерным цилиндрам, равен q = 1,55 л/ч.

Для поддержания заданных предполивных порогов влажности необходимы следующие объемы водоподачи V
- для поддержания влажности в активном слое почвы не ниже 90% НВ:
V_90%НВ = 0,4•0,6•0,5•1,29(0,242 - 0,218) = 372•10^-5 м³ = 3,72 л;
- то же на уровне - 80% НВ:
V_80%НВ = 0,4•0,6•0,5•1,29(0,242 - 0,194) = 743•10^-5 м³ = 7,43 л;
- то же, на уровне 70% НВ:
V_70%HB = 0,4•0,6•0,5•1,29(0,242 - 0,169) = 1130•10^-5 м³ = 11,30 л;
- то же, на уровне 60% НВ:
V_60%нв = 0,4•0,6•0,5•1,29(0,242 - 0,145) = 1502•10^-5 м³ = 15,02 л.

Продолжительность полива при фактическом расходе эталонной капельницы q = 1,55 л/ч для указанных порогов предполивной влажности в активном корнеобитаемом горизонте составит соответственно:
t_90%HB = 2,4 ч; t_80%HB = 4,79 ч; t_70%HB = 7,29 ч; t_60%HB = 9,69 ч.

Количество капельниц на одном увлажнителе длиной L = 70 м:
n = L/a = 70,0/0,4 = 175 штук.

Средний расход воды одного увлажнителя составит
Q = n•q = 179•1,55 = 271 л/ч.

Площадь орошаемого участка, обслуживаемого одним распределительным трубопроводом, который подает оросительную воду в 18 увлажнителей (d), уложенных с взаимным удалением на расстоянии с = 1,4 м.

F₁ = c•d•L = 1,4•18•70 = 1764 м² ≅ 0,18 га.

Объем водоподачи V на одно крыло системы капельного орошения при поливе в течение одного часа (t = 1 ч)
V₁ = t₁•Q•d = 1•271•18 = 48+8 л = 4,88 м³.

Поливная норма, рассчитанная по формуле (14) для поддержания каждого заданного в нашем примере предполивного порога влажности, будет иметь следующие величины:
m_90%HB = (4,88•2,4)/0,18 = 81,3 м³/га;
m_80%HB = (4,88•4,79)/0,18 =135,6 м³/га;
m_70%HB = (4,88•7,29)/0,18=216,93 м³/га;
m_60%HB = (4,88•9,69)/0,18 =271,1 м³/га.

Полевые исследования заявленного способа показали, что на светло-каштановых однородных сильноуплотненных тяжелосуглинистых почвах орошаемого участка контур промачивания (увлажнения) через 2 часа капельного орошения при расходе 1,55 л/ч промачивает зону шириной 0,33 м на глубину 0,16 м; через 3 часа зона увлажнения увеличилась до размеров в•h = 0,44•0,19 м; через 4 часа - 0,49 и 0,22 м; через 5 часов - 0,54 и 0,26 м; через 8 часов - 0,71 и 0,36 м и через 10 часов - 0,82 и 0,43 м.

Смыкание контуров увлажнения по длине увлажнителя наступает через 3 часа после полива. При времени подачи оросительной веды, превышающей 5 часов, контур увлажнения распространяется за пределы расчетной зоны промачивания. Параметры зоны увлажнения составили: ширина 0,6 м и глубина 0,5 м. При увеличении продолжительности полива свыше 4 - 5 часов при капельном орошении наблюдается резкий вынос растворимых солей, находящихся в верхних горизонтах почвы, т.е. за пределами границ расчетного контура промачивания, в т.ч. и на поверхности орошаемого участка.

Почвенные разности и различия водопроницаемости на одном и том орошаемом участке, вызванные различием увлажнения по длине увлажнителей, требуют снижения времени поливов для повышения качества полива путем увеличения равномерности распределения слоя осадков во времени, снижения инфильтрационных потерь и водной эрозии почв. Этим вызвано уменьшение водоподачи, объем которой рассчитывают по формуле вида
V = a•в•h•α•k_н•(W_н.в-λW_н.в), (16)
где k_Н - коэффициент, учитывающий степень порозности почвы и водопроницаемости на всей площади орошаемого участка при капельном способе полива.

Для снижения себестоимости получаемой продукции томатов, эрозии почвы и выноса солей из корнеобитаемого слоя в нижележащие горизонты увеливают интервал времени между поливами, что способствует уменьшению водоподачи на 50%. Экспериментально установлено, что для различных условий увлажнения наиболее приемлемыми являются следующие нормы водоподачи:
V_90%HB = 0,4•0,6•0,5•1,29•0,5•(0,242 - 0,9•0,242) = 1,87 л;
V_80%HB = 0,4•0,6•0,5•1,29•0,5•(0,242 - 0,8•0,242) = 3,75 л;
V_70%HB = 0,4•0,6•0,5•1,29•0,5•(0,242 - 0,7•0,242) = 5,62 л;
V_60%HB = 0,4•0,6•0,5•1,29•0,5•(0,242 - 0,6•0,242) = 7,49 л.

Продолжительность полива, установленная по выражению (13):
t_90%HB = 1,87/1,55 = 1,21 ч;
t_80%HB = 3,75/1,55 = 2,42 ч;
t_70%HB = 5,62/1,55 = 3,63 ч;
t_60%HB = 7,49/1,55 = 4,83 ч.

Поливная норма с учетом формулы (14) при принятых порогах предполивной влажности имеет следующие величины:
m_90%HB = (4,88•1,21)/0,18 ≅ 54 м³/га;
m_80%HB = (4,88•2,42)/0,18 ≅ 81 м³/га;
m_70%HB = (4,88•3,63)/0,18 ≅ 108 м³/га;
m_60%HB = (4,88•4,83)/0,18 ≅ 136 м³/га.

Таким образом, представленные в расчетах примеры способа определения поливных норм при различных порогах предполивной влажности на системах капельного орошения томатов, возделываемых по полосовой схеме посадки, показывают существенное снижение абсолютных величин норм полива и достижение запрограммированной урожайности томатов.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, более конкретно - к сельскохозяйственной мелиорации, в частности к капельному орошению томатов. Способ определения поливной нормы при капельном орошении предусматривает инструментальное определение объемной массы почвы, величины пахотного слоя, глубины промачивания, влажности слоя при наименьшей влагоемкости почвы, предполивной влажности с корректировкой нормы полива с учетом выпавших осадков. В данном способе откалиброванную капельницу с инструментально определенными характеристиками устанавливают на орошаемом участке с высаженной рассадой томатов. Затем определяют тип почвы и ее характеристики. Посредством капельницы устанавливают фактический объем водоподачи и пересчитывают потребность воды по формуле
V = a•в•h•α•k_H•(W_H.B-λW_H.B),
где V - объем водоподачи, м³; a - расстояние между капельницами, м; в - ширина полосы увлажнения, м; h - глубина промачиваемого слоя, м; k_Н - коэффициент, учитывающий степень порозности и водопроницаемости почвы на орошаемом участке; α - объемная масса почвы, т/м³; λ - коэффициент предполивной влажности почвы, соответствующий нижней границе увлажнения, в долях единицы; W_Н.В - средняя влажность активного слоя почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости от массы сухой почвы, %. Затем рассчитывают время полива эталонной капельницей и по этой величине уточняют фактическую поливную норму на 1 га орошаемого участка. Существенно снижают абсолютные величины норм полива и достигается запрограммированная урожайность томатов.

Способ определения поливной нормы при капельном орошении томатов, включающий инструментальное определение объемной массы почвы, величины пахотного слоя, глубины увлажнения, влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности с коррективкой нормы полива с учетом выпавших осадков, отличающийся тем, что откалиброванную или эталонную капельницу с инструментально определенными характеристиками размещают на орошаемом участке установленного типа почвы и посредством нее определяют потребный объем водоподачи
V = a•в•h•α•k_H•(W_H.B-λW_H.B),
где V - объем водоподачи, м³;
a - расстояние между капельницами, м;
в - ширина полосы увлажнения, м;
h - глубина промачиваемого слоя, м;
α - объемная масса почвы, т/м³;
k_H - коэффициент, учитывающий степень порозности почвы и водопроницаемости на всей площади орошаемого участка при капельном способе полива;
W_Н.В. - средняя влажность активного слоя почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости от массы сухой почвы, %;
λ - коэффициент предполивной влажности почвы, соответствующий допустимой границе иссушения ее, в долях единицы,
затем рассчитывают время полива
t= V/q,
где t - время полива, ч;
q - расход одной капельницы, л/ч,
и уточняют поливную норму по формуле:
m= V₁•t F₁,
где m - фактическая поливная норма, м³/га;
V₁ - объем, водоподачи на орошаемый участок в течение фиксируемого времени, м³;
F₁ - площадь орошаемого участка (брутто), га;
t - продолжительность полива, ч.