Морозов А. Н.

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА

Исходя из поставленных целей и учитывая технические возможности реализации решаемых задач использованы модели, в которых применен относительно простой математический аппарат, отражающий, однако, основные закономерности влаго- и солепереноса.

Балансовые модели используют известные представления о балансе влаги в заданном слое почвы. В её основу положены следующие зависимости:

где Q - поливы, О - осадки, Е -суммарное испарение, I - влагообмен корнеобитаемой зоны с нижележащими слоями, G - сброс воды в нижележащие горизонты. Предполагается, что все переменные детерминированы и имеются функциональные зависимости от времени и влажности. В частности суммарное испарение:

где - параметр, характеризующий влияние растительности, Ео - испаряемость, W - влагозапасы в почве.
Зависимость подпитки из нижележащих горизонтов может быть аппроксимирована:

где константы и определяются моделированием.
Расчет минерализации осуществляется по уравнению солевого баланса корнеобитаемой зоны:

где Cw - минерализация оросительной воды, Cg - минерализация почвенной влаги, поступающая в нижележащие горизонты, S - диффузионный и конвективный перенос солей из нижележащих горизонтов, аппроксимируется зависимостью:

Для момента поступления влаги следует проверить, не приведет ли оно к насыщению корнеобитаемой зоны до полевой влагоёмкости и последующему сбросу влаги в нижележащие горизонты.

Вычисленное значение сравнивается с дефицитом влаги корнеобитаемой зоны õt:

(7)

Если имеется избыток поливной воды (Пt >õt), возникает сброс в нижележащие горизонты, а в корнеобитаемой зоне устанавливается влажность равная полевой влагоемкости - НВ. Если избытка нет (Пt <õt), то поливная вода накапливается в зоне аэрации:

(8)

Сброс составляет:

В противном случае Gt = 0
Урожайность определяется по формуле:

где - число "стрессовых" суток за j -й интервал времени, - безразмерный редукционный коэффициент урожайности, характеризующий снижение урожая за одни "стрессовые" сутки j - того интервала (). Стрессовые сутки определяются как день в который полный потенциал почвенной влаги Рt превосходит критический уровень (см. далее).
В первой модификации модели просто рассчитывается водно-солевой баланс поля и определяется проектная урожайность в зависимости от заданных условий и назначенного режима поливов.
Вторая модификация модели, используя предыдущую модель определяет режим поливов не допуская потерь урожая, но без учета снижения дохода от затрат на проведение поливов и самой воды.
Поиск оптимального в экономическом плане режима поливов осуществляет модель третьей модификации. В ней задается стандартный межполивной период, как это чаще всего и практикуется, и несколько возможных норм полива. Программа осуществляет полный перебор всех возможных сочетаний норм и сроков поли за время вегетационного периода и выбирает наиболее экономичный.

Имитационная модель влаго и солепереноса в почве, основанная на исследованиях Рекса Л.М., Айдарова И.П., Голованова А.И. и других авторов подробно описана в работе В.А.Злотника и А.Н.Морозова (1983).
В модели использованы два взаимосвязанные блока:
водного режима, прогнозирующего влажность и скорость фильтрации;
солевого режима, прогнозирующего солеперенос.
Блок-схема моделирования состояния водно-солевого режима (ВСР) почвы и управления режимом поливов показана на рисунке.1

Входная информация в виде почвенно-мелиоративных и климатических показателей, характеристик исходного состояния орошаемого массива, технической характеристики гидромелиоративной системы и требований сельскохозяйственных культур к условиям произрастания перерабатывается в блоках прогноза состояния, контролируется блоком управления, который в случае необходимости выдает команды на проведение вегетационных поливов.
Известное уравнение влагопереноса, принятое в модели, имеет вид :

(11)

где: t - время суток;
Z - вертикальная координата, м;
K( ) - коэффициент влагопроводности,м/сут;
T(Z,t) - интенсивность отбора влаги корнями растений, куб.м/сут на га;
Qq - дренажный сток, куб.м/сут на га;
Ø- объемная влажность;
H(Z,t) - напор,м;
b - дельта функция.
Искомыми функциями являются и H. Вертикальная скорость фильтрации, используемая для расчета переноса солей, определяется по формуле :

Граничные условия на поверхности почвы задаются режимом орошения, обеспечивающим определенные заданные условия в корнеобитаемом слое.
Решение описывает изменение влажности и скорости фильтрации, пользуемые далее для расчета солепереноса.
Уравнение для определения концентрации C(Z,t) в модели солепереноса имеет вид:

где : D - коэффициент гидравлической дисперсии;
Zq - глубина заложения дренажа.
Величина коэффициента гидродинамической дисперсии рассчитывается по зависимости :

где : Do - коэффициент молекулярной диффузии солей,
ƒ- параметр дисперсии.
Поток солей в зоне аэрации рассчитывается по формуле :

Решение поставленной задачи дает прогноз минерализации поровых растворов и величину выноса солей в дренаж с инфильтрационным питанием.

Зависимости, принятые в модели.
При решении задачи используется несколько функций, которыми определяются:
коэффициент влагопроводности;
зависимость капиллярно-сорбционного потенциала влаги в почве;
зависимость испарения и транспирации от влажности почвы;
дренажный сток от величины действующего напора.
Зависимость коэффициента влагопроводности от влажности K(Ø ) принята по формуле С.Ф.Аверьянова (1978). При этом K(Ø ) определяется коэффициентом фильтрации (Кф), пористостью (m), влажностью замедления роста растений (ВЗР):

Показатель степени n, как показал анализ фактических материалов многочисленных исследователей, может приниматься в диапазоне 2...7 в зависимости от свойств почвообразующей породы и подбираться таким образом, чтобы обеспечить наилучшую аппроксимацию опытных данных.
Зависимость капиллярно-сорбционного потенциала влаги в почве - Y(Ø ) принята однозначной ( без учета гистерезиса) и должна определяться для каждой почвообразующей породы. Задается в табличной форме.
Зависимость напора от влажности записывается в виде:

Для расчета транспирации растениями, ввиду крайней приближенности экспериментальных данных, использована модель с постоянной интенсивностью отбора влаги корнями по глубине (С.В.Нерпин и др.,1976):

где: Ec(t) - суммарное испарение, мм/сут;
a(t) - доля физического испарения.

Величина суммарного испарения рассчитывается с учетом влажности почвы по методике ГГИ (Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши, 1976), примененной к условиям среднеазиатского региона (Д.Ф.Солоденников, 1981:

где: Ео(t) - испаряемость с водной поверхности, мм/сут;
- коэффициент, отражающий особенности с/х культур в определенный период вегетации;
ВИ - влажность прекращения испарения;
НВ - наименьшая влагоемкость.
Величина дренажного стока апроксимируется линейной функцией действующего напора (А.И.Голованов,1975):

где : А - коэффициент дренированности, 1/сут;
h(t) - глубина грунтовых вод, м.
Условия и параметры связи горизонтов грунтовых и напорных вод устанавливаются по материалам гидрогеологических исследований при режимных наблюдениях.
Назначение очередного полива заданной нормы, обеспечивающего в корнеобитаемом слое нужные агротехнические условия, осуществляется в модели блоком управления поливами. Полив автоматически назначается всякий раз, когда суммарный потенциал в почвенной влаге, выраженный эквивалентным давлением (Pc), рассчитанный как средняя величина в корнеобитаемом слое l(t), в текущий момент времени достигает критического значения (Рк) (см. выше).
Условие назначения полива записывается в виде:

где: Pc(Z) = |P(Z)| + 0.36*C(Z),
P(Z) - капиллярно-сорбционный потенциал в почвенной влаге;
C(Z) - минерализация почвенного раствора.
Решение поставленной задачи осуществлено численным методом с помощью консервативной разностной схемы (А.А.Самарский,1977, Г.И.Марчук,1977) и реализовано на языке ФОРТРАН-77.
Адаптация этих моделей путем полевого определения параметров, конкретно характеризующих условия почв в районе их применения, может значительно продвинуть решение вопросов всемерной экономии воды на единицу производимой продукции.

18 февраля. 2004 года

Вернуться на главную страницу