7.2 Динамика поглощения воды почвой
При поверхностных
самотечных поливах вода движется по
поверхности и впитывается. Это сложное
физическое явление, представляющее
собой неустановившееся движение воды
в почву под действием капиллярных и
гравитационных сил. Скорость движения
воды
,
м/с, определяется по формуле Шези для
установившегося движения:
,
(1)
где 
- скоростной коэффициент, зависящий от
степени шероховатости;
- гидравлический
радиус, м;
-
гидравлический (продольный) уклон.
Скорость поглощения
воды почвой, насыщенной водой
,
м/с, подчиняется
закону Дарси:
(2)
где 
- коэффициент фильтрации, м/с;
- градиент
напора, м/м.
Градиент напора , м/м, определяется как:
где 
- слой воды на поверхности, м;
- глубина просачивания, м.
С увеличением
глубины просачивания скорость поглощения
уменьшается, поскольку вода встречает
сопротивление защемленного воздуха. В
настоящее время имеется много формул
для определения скорости впитывания
во времени
,
м/ч или м/с, но наиболее широкое
распространение получила формула А.Н.
Костякова:
,
(3)
где 
- скорость поглощения воды почвой в
конце 1-й единицы времени, м/ч или м/с;
-
время от начала впитывания, час или с;
-показатель степени,
характеризующий динамику поглощения
воды почвой.
Кривая, построенная по этой зависимости, изображена на рисунке 1. Весь процесс можно разделить на 2 основных этапа:
1 этап - впитывание - это быстрое поглощение воды почвой, когда скважность (поры) не заполнены водой, но по мере заполнения пор водой скорость впитывания уменьшается и наступает состояние фильтрации.
2 этап - фильтрация, происходит равномерное движение воды в почве сверху вниз под действием сил тяжести.
О
т
показателя степени
зависит форма кривой, а
зависит от свойств почвы, ее начальной
влажности. Для легких по гранулометрическому
составу почв (легководопроницаемых)
кривая впитывания более пологая, чем
для слабоводопроницаемых (тяжелых почв)
(рисунок 2).
П
ри
повышенной влажности почвы скорость
впитывания вначале меньше, соответственно
и
меньше, а при пониженной влажности
наоборот.
Для расчета элементов техники полива обычно пользуются средней скоростью впитывания.
Чтобы определить
среднюю скорость впитывания
,
необходимо вычислить площадь фигуры
(рисунок 3) и разделить на t
(время), т.е. взять определенный интеграл.
Обозначим
и назовем средней скоростью за 1-ю
единицу времени, тогда:
.
(4)
Но
и
величины неизвестные. Прологарифмируем
уравнение (4):
,
(5)
Получается уравнение прямой в отрезках с постоянным коэффициентом . Прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный , а - это тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс (рисунок 4).
Координаты этих точек находятся опытным путем. Для этого выбирается обвалованная площадка не менее 1 квадратного метра, создается и поддерживается на ней слой воды и ведется учет впитавшегося объема воды за определенный интервал времени и вычисляется средняя скорость впитывания.
З
а
1-й интервал времени
впитался объем
:
,
(6)
где
- площадь впитывания, м2.
За 2-й интервал
времени
впитался объем
:
,
(7)
Затем вычисляем логарифмы:
и
и
и
т. е. время берется от начала впитывания.
Откладываем
значения
на
графике и получаем
точки, осредняем их прямой, которая и
отсечет
и
.
Зная динамику поглощения воды почвой и среднюю скорость впитывания рассчитываются элементы техники полива при самотечном орошении.
Полив по бороздам и полосам
Классификация борозд. По бороздам поливаются пропашные культуры (кукуруза, подсолнечник, свекла и др.), овощные, сады и виноградники.
При
поливе по бороздам на орошаемой
поверхности нарезаются поливные борозды
такими орудиями как КОН-2, КРН-4.2, КРН-5.6
(культиватор растениепитатель навесной
с окучниками). Борозды подразделяются
на глубокие и мелкие, широкие и узкие,
проточные и тупые, борозды-щели и борозды
с террасками (рисунок 6).
Проточные борозды. По проточным бороздам вода движется и одновременно впитывается почвой, при достижении струей конца борозды должна впитаться расчетная поливная норма.
Длина поливной
борозды зависит от проницаемости почвы,
продольного уклона и величины расхода,
подаваемого в борозду. На более проницаемых
почвах длина меньше, а на слабопроницаемых
(тяжелых почвах) - больше. Длина поливной
борозды
,
м, зависит от уклона местности - на малых
- меньше, на больших - больше, следовательно:
Величина расхода
в борозду
зависит от проницаемости почв, длины
борозды и продольного уклона, т.е.
.
Расход борозды принимается таким, чтобы не было размыва, поэтому скорость воды в борозде не более 0,1-0,2 м/с. На уклонах более 0,003, чтобы не вызвать размыв борозд (ирригационную эрозию) обычно расход уменьшается.
Расход поливной борозды находится в пределах 0,3-2,0 л/с.
Расстояние между поливными бороздами зависит от свойств почвы и характера возделываемых культур (рисунок 7).
На легких почвах контуры промачивания вытянуты вниз и для смыкания их расстояние между осями борозд (а) в увязке с характером возделываемых культур принимается 0,4 - 0,6 м.
На тяжелых почвах эпюры промачивания вытянуты по сторонам и расстояние между осями борозд принимается 0,7-0,9 м, а на средних почвах-0,6-0,8 м.
Все элементы техники полива взаимосвязаны между собой и устанавливаются в результате расчета.