3. Оптимізація параметрів технології поливу дощування

Для дослідження обсягів поливних норм як елемента технологій водорегулювання у верхньому шарі ґрунту

треба конкретизувати математичну модель (у неперервній та дис- кретній формах), у числі —початкові й граничні умови, та по- ставити задачу управління поливами.

Задача оптимізації параметра поливної норми в технології зрошу- вання дощуванням полягає в тому, щоб визначити такий набір норм т_ь т₂, ... , т,„ для якого сумарний потік вологи на інтервалі [t₀, х,] через поверхню z задовольняє умову

Q(x₀,x_i,m) = g(Т)dТ<C, (1.23)

тобто не перевищує заданого рівня С.

Рівень С об'єму води, що витікає за межі даного розрахункового шару, задає екологічні вимоги технології поливу дощуванням. Як правило, сумарна інфільтрація за метровий шар ґрунту має не пере- вищувати 1...3 % поливної норми.

Управління водорегулюванням у математичній моделі здійсню- ється через значення поливної норми w„ яке можна задавати почат- ковими умовами, тобто певною поливною нормою (початковими умовами) можна відстежити траєкторію руху вологи в профілі та визначити інтегральний критерій (1.23).

У технологічному аспекті необхідно дослідити залежність £>(т₀, т, т) як функцію поливної норми т за певного початкового зволоження профілю, заданих інтенсивності сумарного випаровування, потуж­ності кореневої системи, типу ґрунтів.

Мета системного моделювання — вивчити поведінку екологотех- пологічного критерію (тобто вивчити інтенсивність інфільтрації за різні проміжки часу) на глибині 1,05 і 0,7 м для здобуття інформації про вибір значення параметра технології зрошення — поливної нор­ми залежно від дії комплексу факторів. Вихідні дані для проведення числових експериментів.

Для обчислювальних експериментів вибрано тип ґрунту — чорно­зем луговий важкосуглинковий. Для даного типу ґрунту встановлено залежність коефіцієнта вологопровідності від всмоктувального тиску, що розраховується за формулою при а = 5600, Ь = 5600, п = 2,5. Зв'язок між вологістю IV\ водним потенціалом у задається формулою при Ь₀ = 6,81; = - 2,94 -10^_1; Ь₂ = 0,813 10"²; Ь_г = -9,45 10~⁵. Для даного зразка при повній вологоємкості = 0,53 % об.; при найменшій вологоємкості Ж_Нв ⁼ 0,40 % об.; критична вологість И^_КР = 0,27 % об.; вологість в'янення И^_вв = 0,13 % об.; коефіцієнт фільтрації кф = 0,01 м/добу.

Початкова вологість IV(Х₀) за різних поливних норм т для першого типу умов (сухіший профіль), % об.

Таблиця 3.1.

т, м3/га	Варіант за різною глибиною (кожні ДА = 0,35 м)
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0	0,28	0,36	0,34	0,32	0,38	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
350	0,38	0,36	0,34	0,32	0,38	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
525	0,43	0,36	0,34	0,32	0,38	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
700	0,48	0,36	0,34	0,32	0,38	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
1050	0,53	0,41	0,34	0,32	0,38	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5

Початкові профілі вологості ґрунту використовувалися двох типів: пер­ший тип даних (табл. 5.4) характеризується тим, що поза межами роз­рахункового шару вологість ґрунту менша за ІУ_НВ в інтервалі [И, /і,] = = 0,7...1,05 м і нижча за кореневмісним шаром [/і,; й₂] = 1,05...1,75 м.

Початкова вологість IV(х₀) при різних поливних нормах т для другого типу умов (вологіший профіль), % об.

Таблиця 3.2.

т, м3/га	Варіант за різною глибиною (кожні А А = 0,35 м)
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0	0,28	0,36	0,40	0,40	0,41	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
350	0,38	0,36	0,40	0,40	0,41	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
525	0,43	0,36	0,40	0,40	0,41	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5
700	0,48	0,36	0,40	0,40	0,41	0,41	0,43	.0,43	0,46	0,5
1050	0,53	0,41	0,40	0,40	0,41	0,41	0,43	0,43	0,46	0,5

Другий тип початкових даних (табл. 3.2) має за розрахунковим ша­ром вологість грунту IV > 1¥_нв. Виходячи з теоретичних положень, у другому випадку слід очікувати більший потік вологи поза корене­вмісний шар [0, А,], ніж у разі першого типу початкових умов.

Коренева система. Функція поглинання залежить від глибини поши­рення кореневої системи, описується функцією від конфігурації кореневої системи в розглядуваному варіанті фізичної моделі. У разі, коли коренева система досягає глибини 1,05 м, функція поглинання матиме вигляд

0,5£(т), 0<2< 0,35;

І(г)=АТ= 0,35£(т), 0,35 < 2 < 0,70;

0,15£(т), 0,70 < 2 < 1,05;

0, 1,05 < г < 3,5.

Коли коренева система сягає 0,70 м,

0,6Е(і), 0 < 2 < 0,35;

1(2)Дт = 0,4£Хт), 0,35 < г < 0,70;

0, 1,05 < г < 3,5.

Якшо коренева система розміщена в шарі 0...0,35 м, маємо

\Е( т), 0<2 < 0,35;

|0, 0,35 < г < 3,5.

Поливні норми. Різні значення поливних норм (табл. 3.1, 3.2) було за- дано через профілі вологості після поливу. Це зумовлюється тим, що процедура поливу здійснюється в певній точці поля на досить короткому відтинку часу, а поливна норма 350 м³/га не доводить вологість грун­ту до найменшої вологоємкості. Поливна норма 525 м³/га необхідна, щоб у середньому вологість розрахункового шару завглибшки 0,35 ... 0,70 м піднялася до рівня Ж_нв; у разі поливної норми 700 м³/га во­логість у шарі завглибшки 0,35 ... 0,70 м дорівнює (перший тип умов) або стає більшою (другий тип умов) Ж_нв; поливна норма 1050 м³Да в разі обох типів початкових умов забезпечує перевищення Ж_нв як у роз­рахунковому, так і в кореневмісному шарах грунту.

Сумарне випаровування Е(т) є важливим елементом при моделю­ванні вологоперенесення. Розрахунки для виявлення тенденцій про­ведено за різної інтенсивності Е(т) : 0; 2; 5 мм/добу.

Апроксимацію рівняння (5.30) здійснювали при Az = 0,35 м, А/ = 4,5 год.

Математичне моделювання здійснювали на інтервалі т є [т₀; т], що дорівнює 10 дням. Значення критерію Q_h(x₀, t, m) фіксували на гли­бинах 1,05 і 0,7 м кожні 4,5 години протягом десяти днів.

Системні дослідження залежності інфільтрації від поливної норми за умов дії комплексу факторів (початкового зволоження профілю й су­марного випаровування). Системні дослідження в задачі вивчення особливостей сумарного потоку Q_h(t₀, т, m) (перетікання об'єму во­логи) на глибині h в разі дії комплексу факторів здійснюються на основі імітаційного моделювання кожного варіанта з нанесенням відповідних точок на графік (графічний метод). Це дає змогу візуально оцінити характер залежностей при зміні того чи іншого фактора чи їх сукупності. Надалі вважатимемо, що значення сумарною потоку Q_h(xо, х, т) додатне, якщо в результаті спостережень переважає інфільтрація (потік униз); від'ємне, якщо сумарний потік на глибині А за час [т₀; х] дає підживлення шару [0; А].

Фактично сумарний потік Q_h{т₀, х, т) залежить не тільки від по чаткового й кінцевого часу спостережень, поливної норми, а й від інтенсивності сумарного випаровування Е{х), розвитку (потужності) кореневої системи А_ь початкового зволоження профілю JV_0i =/(z,).

Рис. 3.1. Залежність сумарного потоку вологи Q_h за межу шару завглибшки 1,05 м за різних поливних норм m, — вологіший профіль:

1 — за 10 діб, 2 — за 5 діб, 3 — за першу добу

Приклад 5.5. Багатофакторна залежність дає можливість оцінити значення поливної норми при графічній оцінці три чотири факторних залежностей, коли фіксуються інші фактори (є параметрами). Важли вим елементом при моделюванні вологоперенесення є інтенсивність сумарного випаровування Е(х). Тому Q_h{т₀, х, т) розглядатимемо як трифакторну залежність (рис. 5.5): від відрізка часу спостереження [т₍₎; х| (один, п'ять, десять днів); від значень поливної норми, інтенсивності сумарного випаровування (5 і 2 мм/добу та за відсутності випаровування Е(т) = 0), від початкового зволоження профілю (рис. 3.1).

Результати імітаційного моделювання показують , що потік Q_h{x₀, х, т), долаючи шар [0... 1,05 м], збіль шується зі зменшенням сумарного випаровування. За умови поливних норм т < т_ш потік Q_;,(x₀, х, т) за 10 днів становить 1...2 % поливної норми, тоді як при т > т_нв втрати води досягають 5...25 % поливної норми, тобто різко зростають. Зростають втрати води на інфільтрацію і в разі вологішого профілю (другий тип умов) порівняно з сухішим профілем (перший тип умов) (табл. 3.1—3.2; рис. 3.1)

Таблиця 3.3.

т,	X, діб
м3/га	1	5	10
0	4,25	10,41	8,71
350	4,26	10,96	10,96
525	4,30	13,17	17,67
700	4,45	21,67	41,37
1050	7,57	130,9	221,23

Інтенсивність сумарного випаровування Е(т) = 2 мм/добу, шар зволоження h = = 1,05 м. Сумарний потік вологи Q_a(tq, т, т) залежно від поливних норм т і часу спостережень х для першого типу умов (вологіший профіль)*, м'/га

а ) б)

Рис. 3.2. Залежність обсягіз перетікання вологи (0, м³/га) за межі розрахункового шару грунту Л від інтенсивності сумарного випаровування Е(т): я — вологіший профіль, її = 0,70 м; б — вологіший профіль, // = 1,05 м; в — сухіший профіль, її = 1,05 м; 1, 2, 3 — Е(і) дорівнює, відповідно, 0; 2 та 5 мм/добу

Таблиця 3.4

т, м3/га	Е(х), мм/добу (при А = 1,05 м)
	0	2	5
0	7,84	5,78	3,71
350	7,95	6,03	3,85
525	10,64	7,42	4,52
700	26,95	16,07	8,65
1050	173,67	128,47	66,29

Сумарний потік вологи залежно від поливних умов

Оскільки інфільтрація досліджувалася на глибині А = 1,05 м, то поливні норми, що доводять вологість грунту до найменшої воло гоємкості для меншого розрахунку шару (А = 0,5; 0,7), як це мас місце в ресурсозберігаючих режимах зрошення, не спричиняють інфільтрації на глибину А > 1 м. Отже, добираючи поливні норми для зволоження до рівня НВ шару [0...0,5 м] або шару [0...0,7 м], части­на води (1...2 %), що просочується поза рівень даного шару, не втра­чатиметься безповоротно. Якщо кореневмісний шар сягає глибини 1 м і більше, то вода буде використана в шарі [А,; А] коренями рос­лин. Тому в цьому разі допустимі більші обсяги перетікання в шарі [0...0,7 м] порівняно з шаром 0... 1,05 м (див. табл. 3.5).

Таблиця 3.5.

т, м3/га	Е (і), мм/добу
	крі = 0,7 м	Ай = 1,05 м	Ай = 0,7 м	Ир2 = 1,05 м	Ирі = 0,7 м	йр2 = 1,05 м
0	—	17,03	—	14,72	—	11,55
350	22,60	20,25	12,44	17.6	5,81	13,37
525	127,44	31,01	98,22	24,66	73,43	18,74
700	269,43	70,61	228,8	49,66	194,8	34,47
1050	348,40	296,11	289,1	231,81	229,5	164,9

Динаміку вологості грунту подано в табл. 3.5.

Розподіл вологи по вертикалі на різні періоди часу спостережень (т = 350 м³/га, £(т) = 5 мм/добу)

Було досліджено три факторну залежність сумарного потоку від поливної норми, початкового зволоження профілю та корене­вої системи (рис. 5.7, табл. 3.4, 3.5). Розрахунки здійснювали за фік­сованої інтенсивності випаровування Е = 2 мм/добу та за відсутності випаровування (Е = 0 мм/добу) в разі відсутності кореневої системи.

Таблиця 5.10

Залежність інфільтрації від розвитку кореневої системи. Важливим чинником, який впливає на інфільтрацію і його необхідно кількіс­но вивчити на математичній моделі волого перенесення, є розвиток кореневої системи.

Маючи результати імітаційного моделювання «сценаріїв», можна вибрати ті значення параметра поливної норми т_п для яких інфільт­рація не перевищує заданого рівня 2_Л(х₀> і, т) < С, за певного почат­кового зволоження профілю та розвитку кореневої системи.

Використовуючи результати досліджень, спробуємо дати рекомен­дації щодо величини С, яка становить граничне значення потоку за 10 днів. Дослідження з питань визначення інфільтраційного живлення в природних умовах показують, що його добова інтенсивність коливається в межах 0,01...0,1 мм/добу. Тому, використовуючи результа ти імітаційного моделювання, приймається добове значення ін фільтрації за метровий шар С = 1,0...1,5 м³/га добу (можна прийня ти С = 0,1 мм/добу, що становить 1 м³/га добу).

Виходячи з водозберігаючих режимів зрошення, треба визначити поливну норму в приповерхневому шарі завтовшки 0,5 м, ко­ли С дорівнює або дещо менше від 1,0... 1,5 м³/га- добу. Це досягається, коли в критичні фази розвитку призначається поливна норма т = /и_нв для приповерхневого шару завтовшки 0,5 м, а для некритичних фаз (коли передполивний поріг знижується на 10... 15 % НВ) поливна норма призначається з умови створення деякої «ємкості» для затримання опадів, тобто дещо меншою від т_Нй. Можна рекомендувати поливну норму в некритичні фази т = (0,8...0,9) /п_нв для приповерхневого шару завтовшки 0,5 м за­лежно від впливу інших факторів.

Таблиця 3.6.

	Потужність кореневої системи А, м
				0,7			0,35			0
т, м3/га
	т, діб			т, діб			т, діб			т, діб
	1	5	10	1	5	10	1	•5	10	1	5	10
0	4,25	10,41	8,71	4,39	12,7	14,72	4,39	13,18	16,78	4,39	13,2	17,03
350	4,26	10,96	10,96	4,39	13,3	17,16	4,4	13,81	19,58	4,4	13,89	20,25
525	4,30	13,17	17,67	4,44	15,7	24,66	4,44	16,18	27,09	4,44	16,7	31,01
700	4,45	21,67	41,37	4,59	24,63	49,66	4,6	25,91	55,97	4,6	28,45	70,61
1050	7,57	130,9	221,23	7,78	135,98	231,81	7,86	147,88	246,07	7,87	152,51	296,1

Сумарний потік вологи б_А(т₀> т> ^т) при різних поливних нормах т за різні відрізки часу т, для різних рівнів розвитку кореневої системи (другий тип початкових умов — вологіший профіль; Е(і) = 2 мм/добу), м^/га

Рис. 3.3. Типові епюри вологості W ґрунту на богарі (/), при використанні ресурсозберігаючих режимів (2), у разі біологічно оптимальних режимів зрошення (3) наприкінці вегетаційного періоду (поле люцерни другого року) (глибина z_N відповідає рівню Ґрунтових вод, z_x, ... , z_N — дискретні рівні вимірювання вологості ґрунту)

а) б)

Рис. 3.4. Сумарний потік вологи за межі метрового шару протягом 10 діб залежно від поливної норми та за різної потужності кореневої системи: а — вологіший профіль; б — сухіший профіль (1—4 — шар А завтовшки, відповідно, 0; 0,35; 0,7 та 1,05 м)Як показують результати моделювання (табл. 3.3, 3.4), чим менше розвинена в глибину коренева система, тим більша інфільтрація води за розрахунковий шар 0...1,05 м. Проте це збільшення є меншим порівня­но з таким фактором, як поливна норма. В усіх випадках збільшується значення інфільтрації і при переході від сухішого профілю (перший тип умов) до вологішого (другий тип умов). Сумарний потік £2л(^хо> ^т) ^за десять діб різко зростає починаючи з деякого значення зрошувальної норми т_кр, яке можна вважати критичним (при заданому початковому зволоженні профілю). За таких умов інфільтрація зростає майже вдвоє за недо­статньо розвинутої кореневої системи (А = 0; 0,35 м) порів­няно з потужною кореневою системою И = 1,05 м. профіль; б — сухіший профіль (1—4 — шар А завтовшки, відповідно, 0; 0,35; 0,7 та 1,05 м)

Як показують результати моделювання (табл. 3.3, 3.4), чим менше розвинена в глибину коренева система, тим більша інфільтрація води за розрахунковий шар 0...1,05 м. Проте це збільшення є меншим порівня­но з таким фактором, як поливна норма. В усіх випадках збільшується

профіль; б — сухіший профіль (1—4 — шар А завтовшки, відповідно, 0; 0,35; 0,7 та 1,05 м) Як показують результати моделювання, чим менше розвинена в глибину коренева система, тим більша інфільтрація води за розрахунковий шар 0...1,05 м. Проте це збільшення є меншим порівня­но з таким фактором, як поливна норма. В усіх випадках збільшується.

Аналіз впливу режимів зрошення на підняття рівня Ґрунтових вод. В Україні зрошується близько 2,6 млн га земель. Проте з розширен­ням зрошуваних площ значно зростають і екологічно несприятливі впливи на ґрунти. Так, довгострокове зрошення при невиконанні ряду агротехнічних заходів призвело до зменшення гумусу в ґрунті, значних збитків завдають ерозійні процеси. В лісостепових і північно-степових ландшафтах України щороку змивається 15...30 т/га ґрунту. Зі змиванням 1 мм чорнозему типового втрачається 60 кг/га азоту, 40 кг/га фосфору, 300 кг/га калію. Акумуляція речовин, що мігрують у водоймах, призводить до їх замулення, нітрифікації, дефіциту кисню, концентрації забруднень понад допустимі межі.

Одним із найсуттєвіших негативних впливів при зрошенні є під­няття рівнів ґрунтових вод. Одержана різницева модель дає змогу дослідити різні режими зрошення, а, отже, виявити інтенсивність тих чи інших негативних процесів.

Як відомо, в Україні протягом тривалого часу зрошення здійсню­валося на біологічно оптимальних режимах. Суть біологічно опти­мального зрошення полягає в тому, що в процесі вегетації вологість розрахункового шару ґрунту необхідно підтримувати на рівні, вищо­му за критичні значення вологості Ж_кр — це такі значення, коли во­лога вже стає важкодоступною для коренів рослин. Це дає змогу одер­жувати максимально можливий урожай за даного рівня родючості фунту, проте зрошувальна норма залишається надто великою. Це є причиною економічно не обґрунтованих перевитрат електроенергії, значного перетікання води в глибинні шари у вертикальному профілі або ж на рівень ґрунтових вод, створюючи екологічно небез­печні умови.

Ресурсозберігаючі режими зрошення базуються на тому, що в не­критичні фази _р може бути нижчою. Це, з одного боку, заощад­жує воду, а з іншого (за незначних втрат урожаю) поліпшує еколо­гічний стан грунтів. Типові епюри вологості грунту, які дістають на основі моделювання на ЕОМ (рис. 3.4), на полях люцерни другого року ви­користання показують, що наприкінці вегетації найвища вологість у цілому за профілем спостерігається за біологічно оптимальними ре­жимами, найнижча — в богарних умовах.

На півдні України в осінньо-зимовий період випадає 110...120 мм- опадів. У богарних умовах всі опади затримуються у приповерхневому шарі ґрунту завтовшки І...1,5 м; за ресурсозберігаючих режимів зро­шення — в шарі 1,5...1,8 м; при біологічно оптимальних режимах тільки приблизно половина опадів залишається в кореневмісному шарі (за умови максимальної їхньої норми 210 мм). Отже, використання біологічно оптимальних технологій створює екологічно небезпечні умови, за яких з року в рік спостерігається значна фільтрація води в глибинні горизонти, що спричиняє прогресуюче підняття рівня ґрун­тових вод.

Теоретичні розрахунки підтверджуються практичними спостере­женнями та аналізом режиму рівнів підґрунтових вод у зоні Каховсь­кої зрошувальної системи (КЗС) у багаторічному (10... 17 років) розрізі. Спостереження свідчать, що зрошення сільськогосподарських земель зумовлює неухильний підйом рівнів. Так, у приканальній зоні на свердловинах на відстані 1 та 2 км до зрошення з 1976 по 1983 р. спостерігався стабільний характер рівнів підґрунтових вод завглиб­шки 11,5...12 м; після введення в експлуатацію зрошувальної систе­ми в 1984 р. — підйом їх до глибини 4,3...4,5 м у 1992 р. Спос­терігається підйом рівнів зі швидкістю 0,1...0,3 м за рік також на бо­гарних землях, розташованих на вододільній території поблизу зро­шуваних масивів.

Результати моделювання показують, що, крім будівництва дренажу, альтернативним підходом до збереження екологічної рівноваги при зрошенні є застосування ресурсозберігаючих технологій.

В цілому при обґрунтуванні режимів зрошення потрібен комплекс­ний еколого-економічний підхід.