Способ определения поливной нормы при капельном орошении сельскохозяйственных культур Российский патент 2023 года по МПК A01G25/00 

Изобретение относится к области капельного орошения сельскохозяйственных культур и предназначено для определения поливной нормы, обеспечивающей формирование в почвенном пространстве зон капельного увлажнения с заданными геометрическими и влажностными параметрами.

Известен способ определения поливных норм при капельном орошении (Храбров, М. Ю. Расчет распространения влаги в почве при капельном орошении / М. Ю. Храбров // Мелиорация и водное хозяйство. – 1999. – № 4. – С. 34–35), включающий получение и использование опытных данных по определению объемной массы расчетного пахотного слоя почвы, влажности слоя при наименьшей влагоемкости, предполивной влажности и глубины увлажнения и расчет поливной нормы:

- для средних и тяжелых почв по формуле

где $$m$$ – поливная норма, м³/га; $$V_{\text{ш}\text{.с}\text{.}}=(2/3)\cdot \pi \cdot R_{\text{ш}\text{.с}\text{.}}{}^2\cdot H$$ – объем контура увлажнения, формирующегося под капельницей в форме шарового сектора, м³; $$R_{\text{ш}\text{.с}\text{.}}$$ – радиус шарового сектора, м; $$H$$ – высота шарового слоя (высота увлажняемого контура), м; $$\gamma$$ – плотность сложения почвы, т/м³; $${\beta }_{\text{н}\text{.в}\text{.}}$$ – влажность почвы, равная наименьшей влагоемкости, % от массы сухой почвы (% МСП); $${\beta }_{\text{п}\text{.в}\text{.}}$$ – средняя по увлажняемому слою предполивная влажность, % МСП;

- для легких почв по зависимости:

где $$H$$ – высота контура увлажнения в форме усеченного конуса, м;

$$R_{\text{у}\text{.к}\text{.}}$$ и $$r_{\text{у}\text{.к}\text{.}}$$ – радиусы оснований усеченного конуса, м;

$$\pi \cdot H\cdot (R_{\text{у}\text{.к}\text{.}}{}^2+r_{\text{у}\text{.к}\text{.}}\cdot R_{\text{у}\text{.к}\text{.}}+r_{\text{у}\text{.к}\text{.}}{}^2)/3=V_{\text{у}\text{.к}\text{.}}$$  – объем контура увлажнения в форме усеченного конуса, м³.

Недостатками известного способа определения поливных норм при капельном орошении являются: 1) отсутствие рекомендаций по определению значений $$R_{\text{ш}\text{.с}\text{.}}$$, $$R_{\text{у}\text{.к}\text{.}}$$ и $$r_{\text{у}\text{.к}\text{.}}$$ для широкого спектра почвенных и технологических условий полива, что ограничивает его применение; 2) объемы контура определяются по условно принятой его форме (его очертанию) в виде шарового сектора (усеченного сверху и снизу шара) для тяжелых и средних почв и в виде усеченного конуса для легких почв, что не во всех почвенных условиях реально наблюдается. Указанное обстоятельство не позволяет с необходимой для практики точностью определить поливную норму для различных почвенных и технологических условий полива.

Известен способ определения поливных норм при капельном орошении томатов (RU № 2204241), включающий инструментальное определение объемной массы (плотности сложения) почвы, влажности увлажняемого слоя почвы, соответствующей наименьшей влагоемкости, предполивной влажности и использование расчетной зависимости для предварительного определения объема водоподачи (поливной нормы) в виде:

где $$V$$ – объем водоподачи (поливная норма), м³; $$a$$ – расстояние между капельницами, м; $$b$$ – ширина полосы увлажнения, м; $$h$$ – глубина промачиваемого (увлажняемого) слоя, м; $$\alpha$$ – объемная масса (плотность сложения) почвы, т/м³; $$k_{\text{н}}$$ – коэффициент, учитывающий степень порозности почвы и водопроницаемости на всей площади орошаемого участка при капельном способе полива; $$W_{\text{НВ}}$$ – средняя влажность активного слоя почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости, % МСП; $$\lambda$$ – коэффициент предполивной влажности почвы, соответствующий допустимой границе ее иссушения, в долях единицы.

В приведенной зависимости произведение $$a\cdot b\cdot h$$ соответствует объему единичного контура капельного увлажнения $$W_{\text{кон}}$$, что позволяет записать ее в виде $$V=W_{\text{кон}}\cdot \alpha \cdot k_{\text{н}}\cdot (W_{\text{НВ}}-\lambda \cdot W_{\text{НВ}})$$, т. е. в виде близком к формуле (1).

В заявленном способе предварительно определенная по зависимости (3) величина поливной нормы проверяется постановкой опытных измерений контура увлажнения, формируемого в подкапельном почвенном пространстве, которая при необходимости уточняется (корректируется) изменением значения коэффициента $$k_{\text{н}}$$. При экспериментальной проверке соответствия принятых в расчете и опытных параметров контура откалиброванную или эталонную капельницу с инструментально определенными характеристиками размещают на орошаемом участке установленного типа почвы и посредством нее определяют (уточняют) потребный объем водоподачи (предварительно рассчитанную поливную норму). За счет установки эталонной капельницы на орошаемом участке применительно к имеющейся системе водораспределительной сети капельного орошения экспериментально устанавливают зону увлажнения и водоподачу до смыкания орошаемых участков между смежными (рядом расположенными) водовыпусками-капельницами. Экспериментально установленные параметры контура (по $$b$$ и $$h$$) при выдаче предварительно рассчитанной поливной нормы $$V$$сопоставляются с принятыми для расчета, и по результатам сопоставления принимается решение по корректировке расчетной зависимости в части использования уточненного значения $$k_{\text{н}}$$.

К недостаткам известного способа относятся нижеследующие:

1. Условно принятая форма контура увлажнения почвенного пространства в виде параллелепипеда (с размерами $$a\times b\times h$$) не соответствует ее очертаниям, наблюдаемым в реальных условиях.

2. Несоответствие принятой в патенте формы единичного контура капельного увлажнения почвы реально наблюдаемой, а также несоответствие линейных размеров контура реальным (как плановых, так и высотных) приводит к несоответствию расчетных значений объемов увлажняемого почвенного пространства фактическим, что в свою очередь приводит к несоответствию расчетных поливных норм их требуемым значениям.

3. При расчетном определении объема водоподачи (поливной нормы) не учитываются такие почвенные характеристики, как содержание в почве глинистых частиц и скорость впитывания воды в почву, влияющие на процессы формирования контуров капельного увлажнения почв, что снижает достоверность определения поливной нормы, обеспечивающей формирование контура увлажнения с требуемыми параметрами и заданной влажностью.

4. Для корректировки расчетных значений объема водоподачи известный способ предусматривает проведение опытных измерений глубины увлажнения почвы в процессе проведения полива, что требует дополнительных затрат средств, труда и времени.

Известен способ определения поливной нормы при капельном поливе растений (RU № 2683724), принятый за прототип, включающий инструментальное определение плотности сложения увлажняемого слоя почвы, наименьшей влагоемкости промачиваемого почвенного слоя, предполивной влажности почвы, среднего по увлажняемому слою почвы содержания глинистых частиц, средней скорости впитывания воды в почву за первый час полива и расчет поливной нормы на одну капельницу, при выдаче которой обеспечивается формирование единичного контура увлажнения с заданной глубиной увлажнения слоя почвы и с требуемым уровнем постполивной влажности, который производится по зависимости:

где $${(N_{\text{пол}})}_{\text{кап}}$$ – поливная норма на одну капельницу, м³/кап.; $${\overline{\gamma }}_{\text{об}}$$ – средняя по глубине увлажняемого слоя плотность сложения почвы, т/м³; $$h_{\text{кон}}$$ – требуемая глубина контура капельного увлажнения почвы, м; $$W_{\text{г/ч}}$$ – среднее по увлажняемому слою почвы содержание глинистых частиц, % МСП; $$W_{\text{НВ}}$$ – влажность увлажняемого слоя, соответствующая наименьшей влагоемкости почвы, % МСП; $${({\overline{V}}_{\text{вп}})}_{\text{1}\text{час}}$$ – средняя скорость впитывания воды в почву за 1-й час полива, мм/мин; $${\overline{\beta }}_{\text{п/п}}$$ – осредненное по объему контура увлажнения значение влажности почвы в постполивной период, % МСП; $${\overline{\beta }}_{\text{д/п}}$$ – средняя дополивная влажность почвы в пределах увлажняемого почвенного слоя (профиля), % МСП.

К недостаткам принятого за прототип способа относятся следующие:

1. Способ не учитывает величину расхода капельного водовыпуска (интенсивность водоподачи), которая оказывает значимое влияние на геометрические параметры зоны увлажнения, формируемой объемом воды, подаваемой одним капельным водовыпуском за один полив (поливной нормой).

2. При расчете поливной нормы не учитывается влажность почвы, при которой начинается полив и формирование контура капельного увлажнения почвы. Уровень дополивной влажности почвы так же оказывает значимое влияние на размеры контура капельного увлажнения почвы и на величину поливной нормы, необходимую для формирования зоны увлажнения с требуемой глубиной.

3. Известный способ предусматривает использование в качестве одной из почвенных характеристик среднюю скорость впитывания воды в почву за 1-й час полива, которая является трудоемкой в инструментальном определении и при учете характеристик объемной массы, механического состава и наименьшей влагоемкости почвы может быть исключена из расчета без снижения точности получаемых значений поливной нормы.

Задачей изобретения является повышение точности определения поливной нормы на один капельный водовыпуск, обеспечивающей формирование зоны капельного увлажнения почвы с заданными глубиной увлажнения и влажностью.

Технический результат – обеспечение дозированной подачи поливной воды в корнеобитаемое почвенное пространство в объеме, позволяющем в определенных почвенных и технологических условиях капельного полива сформировать в почвенном пространстве зону капельного увлажнения с заданной глубиной увлажнения слоя почвы и с определенным уровнем постполивной влажности внутриконтурного пространства.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом определения поливной нормы при капельном орошении сельскохозяйственных культур, включающем инструментальное определение плотности сложения увлажняемого слоя почвы, наименьшей влагоемкости промачиваемого почвенного слоя, содержания глинистых частиц в почве и расчет поливной нормы, при выдаче которой обеспечивается формирование зоны увлажнения почвы с заданной глубиной увлажнения слоя почвы и с требуемым уровнем постполивной влажности, отличающийся тем, что совместно с почвенными характеристиками учитывается влияние интенсивности водоподачи (расхода капельницы) и предполивной влажности почвы на величину поливной нормы, расчет которой производится по зависимости:

$$N_{\text{кап}}$$ – поливная норма на один капельный водовыпуск, л/кап.;

$${\gamma }_{\text{об}}$$ – средняя по глубине увлажняемого слоя плотность сложения почвы, т/м³;

$$h_{\text{увл}}$$ – мощность (глубина) увлажняемого почвенного слоя, м;

$${П}_{\text{п}}$$ – параметр, характеризующий влияние почвенных характеристик на геометрические параметры контура влажности:

$$W_{\text{г}}$$ – среднее по увлажняемому слою почвы содержание глинистых частиц, % от массы сухой почвы (% МСП);

$$W_{\text{НВ}}$$ – среднее по увлажняемому слою почвы значение наименьшей влагоемкости, % МСП;

$$k_q$$ – коэффициент, характеризующий влияние интенсивности водоподачи на геометрические параметры контура влажности:

$$k_q={(q_{\text{кап}}/2)}^{{}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}}$$ ,

$$q_{\text{кап}}$$ – расход капельного водовыпуска, л/час;

$$k_{\beta }$$ – коэффициент, характеризующий влияние предполивной влажности почвы на геометрические параметры контура влажности;

$$k_{\beta }={(W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,4}}\cdot {(1-{\beta }_{\text{д/п}}/{\beta }_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}$$ ;

$${\beta }_{\text{д/п}}$$ – средняя по увлажняемому слою почвы дополивная влажность почвы, % МСП;

$${\beta }_{\text{НВ}}$$ – влажность почвы, соответствующая средней по увлажняемому слою наименьшей влагоемкости, % МСП, $${\beta }_{\text{НВ}}$$ = $$W_{\text{НВ}}$$;

$${\epsilon }_{\text{п/п}}$$ и $${\epsilon }_{\text{д/п}}$$– долевые от $${\beta }_{\text{НВ}}$$ значения уровней постполивной и дополивной влажности почвы соответственно, измеряемые в долях единицы.

Для подтверждения адекватности предлагаемого способа определения поливной нормы ниже приведены примеры расчета поливной нормы для условий трех опытных участков по зависимости из прототипа, предлагаемому способу и их сравнение с зафиксированными в процессе капельного полива на опытных участках показателями.

Участок № 1. Исходные данные: $$W_{\text{г}}$$ = 66,0 % МСП; $$W_{\text{НВ}}$$ = 27,4 % МСП; $${({\overline{V}}_{\text{вп}})}_{\text{1}\text{час}}$$ = 0,8 мм/мин; $${\gamma }_{\text{об}}$$ = 1,32 т/ м³; $${\epsilon }_{\text{д/п}}$$ = 0,7; $${\epsilon }_{\text{п/п}}$$ = 1,0; $$q_{\text{кап}}$$ = 2,0 л/ч.

При подаче поливной нормы $$N_{\text{факт}}$$ = 60,0 л/кап. в почвенном пространстве на опытном участке № 1 сформировалась зона увлажненной почвы глубиной $$h_{\text{кон}}$$ = 0,96 м.

Расчет поливной нормы по зависимости из прототипа:

Расчет поливной нормы по предлагаемому способу:

$${П}_{\text{п}}=\mathrm{0,5}\cdot \left[\mathrm{0,66}+\mathrm{0,009}\cdot W_{\text{г}}+\mathrm{0,034}\cdot W_{\text{НВ}}\right]=$$

$$=\mathrm{0,5}\cdot \left[(\mathrm{0,66}+\mathrm{0,009}\cdot \mathrm{66,0}+\mathrm{0,14}+\mathrm{0,034}\cdot \mathrm{27,4}\right]=$$ 1,09;

$$k_q={(q_{\text{кап}}/2)}^{{}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}}={(\mathrm{2,0}/2)}^{\mathrm{0,1}\cdot \mathrm{66,0}/\mathrm{27,4}}$$ = 1,0;

$$k_{\beta }={(W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,4}}\cdot {(1-{\beta }_{\text{д/п}}/{\beta }_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}$$ = $${(\mathrm{66,0}/\mathrm{27,4})}^{\mathrm{0,4}}\cdot {(1-(\mathrm{0,7}\cdot \mathrm{27,4})/\mathrm{27,4})}^{\mathrm{0,1}\cdot \mathrm{66,0}/\mathrm{27,4}}$$ = 1,06;

$$N_{\text{кап}}=\mathrm{4,78}\cdot {\gamma }_{\text{об}}\cdot h_{\text{увл}}^{}{}^3\cdot {({П}_{\text{п}}\cdot k_q\cdot k_{\beta })}^2\cdot ({\epsilon }_{\text{п/п}}-{\epsilon }_{\text{д/п}})\cdot {\beta }_{\text{НВ}}$$ =

= 4,78 · 1,32 · 0,96³ · (1,09 · 1,0 · 1,06)² · (1,0 – 0,7) · 27,4 = 61,6 л/кап.

Отклонение поливной нормы по прототипу от фактической составит:

$${\delta }_{\text{прот}}=(N_{\text{прот}}-N_{\text{факт}})/N_{\text{факт}}\cdot 100$$ = (54,0 – 60,0) / 60,0 · 100 = – 10 %.

Отклонение поливной нормы по предлагаемому способу от фактической составит:

$${\delta }_{\text{прот}}=(N_{\text{расч}}-N_{\text{факт}})/N_{\text{расч}}\cdot 100$$ = (61,9 – 60,0) / 60,0 · 100 = 2,7 %.

Участок № 2. Исходные данные: $$W_{\text{г}}$$ = 36,9 % МСП; $$W_{\text{НВ}}$$ = 21,1 % МСП; $${({\overline{V}}_{\text{вп}})}_{\text{1}\text{час}}$$ = 0,9 мм/мин; $${\gamma }_{\text{об}}$$ = 1,30 т/ м³; $${\epsilon }_{\text{д/п}}$$ = 0,58; $${\epsilon }_{\text{п/п}}$$ = 1,0; $$q_{\text{кап}}$$ = 2,4 л/ч.

При подаче поливной нормы $$N_{\text{факт}}$$ = 53,0 л/кап. в почвенном пространстве на опытном участке № 2 сформировалась зона увлажненной почвы глубиной $$h_{\text{кон}}$$ = 1,00 м.

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Участок № 3. Исходные данные: $$W_{\text{г}}$$ = 71,1 % МСП; $$W_{\text{НВ}}$$ = 30,3 % МСП; $${({\overline{V}}_{\text{вп}})}_{\text{1}\text{час}}$$ = 0,7 мм/мин; $${\gamma }_{\text{об}}$$ = 1,29 т/ м³; $${\epsilon }_{\text{д/п}}$$ = 0,7; $${\epsilon }_{\text{п/п}}$$ = 1,0; $$q_{\text{кап}}$$ = 1,4 л/ч.

При подаче поливной нормы $$N_{\text{факт}}$$ = 66,0 л/кап. в почвенном пространстве на опытном участке № 3 сформировалась зона увлажненной почвы глубиной $$h_{\text{кон}}$$ = 0,98 м.

Результаты определения поливной нормы по прототипу и предлагаемому способу для участков №1, №2 и №3 приведены в таблице:

№ опытных участков Фактическая поливная норма, л/кап. Расчетная поливная норма по прототипу, л/кап. Отклонение поливной нормы по прототипу от фактической, % Расчетная поливная норма по предлагаемому способу, л/кап. Отклонение поливной нормы по предлагаемому способу от фактической, % 1 60,0 53,7 -10,4 61,6 2,7 2 53,0 40,4 -23,8 49,5 -6,6 3 66,0 72,6 10,0 68,1 3,2

Отклонения расчетной поливной нормы по предлагаемому способу от фактической, необходимой для формирования зоны капельного увлажнения почвы с требуемой глубиной и влажностью, значительно меньше таковых, определенных для поливной нормы, рассчитанной по прототипу. Следовательно, предлагаемый способ определения поливной нормы при капельном поливе сельскохозяйственных культур позволит более точно рассчитать объем воды, который необходимо подать в почвенное пространство одним капельным водовыпуском для формирования зоны увлажнения почвы с требуемыми геометрическими и влажностными параметрами.

Способ определения поливной нормы при капельном орошении сельскохозяйственных культур дает приемлемые для практического применения результаты с погрешностью не более 8 % в диапазоне исходных данных: $$W_{\text{г}}$$ – от 20,0 до 72,0 % МСП; $$W_{\text{НВ}}$$ – от 16 до 33,0 % МСП; $${\gamma }_{\text{об}}$$ – от 1,1 до 1,4 т/м³; $${\beta }_{\text{д/п}}$$ – от 0,5 до 0,7 $${\beta }_{\text{НВ}}$$; $${\beta }_{\text{п/п}}$$ – от 0,7 до 1,0 $${\beta }_{\text{НВ}}$$; $$h_{\text{увл}}$$ – от 0,5 до 1,4 м; $$q_{\text{кап}}$$ – от 0,8 до 4,0 л/кап.

Изобретение относится к области капельного орошения сельскохозяйственных культур. Способ состоит в инструментальном определении плотности сложения увлажняемого слоя почвы, наименьшей влагоемкости промачиваемого почвенного слоя, содержания глинистых частиц в почве и расчете поливной нормы, при выдаче которой обеспечивается формирование зоны увлажнения почвы. Совместно с почвенными характеристиками учитывается влияние интенсивности водоподачи (расхода капельницы) и предполивной влажности почвы на величину поливной нормы, расчет которой производится по зависимости: $$N_{\text{кап}}=\mathrm{4,78}\cdot {\gamma }_{\text{об}}\cdot h_{\text{увл}}^{}{}^3\cdot {({П}_{\text{п}}\cdot k_q\cdot k_{\beta })}^2\cdot ({\epsilon }_{\text{п/п}}-{\epsilon }_{\text{д/п}})\cdot {\beta }_{\text{НВ}}$$, где $$N_{\text{кап}}$$ - поливная норма на один капельный водовыпуск, л/кап.; $${\gamma }_{\text{об}}$$ - средняя по глубине увлажняемого слоя плотность сложения почвы, т/м³; $$h_{\text{увл}}$$ - мощность (глубина) увлажняемого почвенного слоя, м; $${П}_{\text{п}}$$ - параметр, характеризующий влияние почвенных характеристик на геометрические параметры контура влажности: $${П}_{\text{п}}=\mathrm{0,5}\cdot \left[\mathrm{0,66}+\mathrm{0,009}\cdot W_{\text{г}}+\mathrm{0,034}\cdot W_{\text{НВ}}\right]$$, где $$W_{\text{г}}$$ - среднее по увлажняемому слою почвы содержание глинистых частиц, % от массы сухой почвы (% МСП); $$W_{\text{НВ}}$$ - среднее по увлажняемому слою почвы значение наименьшей влагоемкости, % МСП; $$k_q$$ - коэффициент, характеризующий влияние интенсивности водоподачи на геометрические параметры контура влажности: $$k_q={(q_{\text{кап}}/2)}^{{}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}}$$, $$q_{\text{кап}}$$ - расход капельного водовыпуска, л/час; $$k_{\beta }$$ - коэффициент, характеризующий влияние предполивной влажности почвы на геометрические параметры контура влажности: $$k_{\beta }={(W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,4}}\cdot {(1-{\beta }_{\text{д/п}}/{\beta }_{\text{НВ}})}^{\mathrm{0,1}\cdot W_{\text{г}}/W_{\text{НВ}}}$$; $${\beta }_{\text{д/п}}$$ - средняя по увлажняемому слою почвы дополивная влажность почвы, % МСП; $${\beta }_{\text{НВ}}$$ - влажность почвы, соответствующая средней по увлажняемому слою наименьшей влагоемкости, % МСП, $${\beta }_{\text{НВ}}$$ = $$W_{\text{НВ}}$$; $${\epsilon }_{\text{п/п}}$$ и $${\epsilon }_{\text{д/п}}$$ - долевые от $${\beta }_{\text{НВ}}$$ значения уровней постполивной и дополивной влажности почвы соответственно, измеряемые в долях единицы. Обеспечивается дозированная подача поливной воды в корнеобитаемое почвенное пространство. 1 табл.

Способ определения поливной нормы при капельном орошении сельскохозяйственных культур, включающий инструментальное определение плотности сложения увлажняемого слоя почвы, наименьшей влагоемкости промачиваемого почвенного слоя, содержания глинистых частиц в почве и расчет поливной нормы, при выдаче которой обеспечивается формирование зоны увлажнения почвы, отличающийся тем, что совместно с почвенными характеристиками учитывается влияние интенсивности водоподачи (расхода капельницы) и предполивной влажности почвы на величину поливной нормы, расчет которой производится по зависимости:

,

- поливная норма на один капельный водовыпуск, л/кап.;

- средняя по глубине увлажняемого слоя плотность сложения почвы, т/м³;

- мощность (глубина) увлажняемого почвенного слоя, м;

- параметр, характеризующий влияние почвенных характеристик на геометрические параметры контура влажности:

,

- среднее по увлажняемому слою почвы содержание глинистых частиц, % от массы сухой почвы (% МСП);

- среднее по увлажняемому слою почвы значение наименьшей влагоемкости, % МСП;

- коэффициент, характеризующий влияние интенсивности водоподачи на геометрические параметры контура влажности:

,

- расход капельного водовыпуска, л/час;

- коэффициент, характеризующий влияние предполивной влажности почвы на геометрические параметры контура влажности:

;

- средняя по увлажняемому слою почвы дополивная влажность почвы, % МСП;

- влажность почвы, соответствующая средней по увлажняемому слою наименьшей влагоемкости, % МСП, = ;

и - долевые от значения уровней постполивной и дополивной влажности почвы соответственно, измеряемые в долях единицы.