Гидролого-климатические основы разработки информационной технологии оперативного управления поливным режимом на орошаемых агроэкосистемах Красноярского края

В.М. Старков
НОУ ВПО Красноярский филиал «Санкт-Петербургский гуманитарный университет профсоюзов»,
г. Красноярск

Общеизвестно, что в большинстве природных зон России сельское хозяйство ведется в условиях критического земледелия. Причины скрываются в многообразии физико-географической среды, стохастичности гидролого-климатических колебаний в многолетнем разрезе и погодного режима внутри периода вегетации агрофитоценозов. По этим показателям такой характер свойствен и агроклиматическим зонам Красноярского края. Так, результаты тепловоднобалансовых исследований, выполненных Омской научной гидролого-климатической школой, свидетельствуют о том, что в крае нет земель сельскохозяйственного назначения, которые не требовали бы в той или иной степени водной или тепловой мелиорации или их сочетания[6].Поэтому вполне закономерным стало создание в 1960-1980годы довольно развитой сети оросительных систем(~70тыс. га, включая Хакасию) в степной и лесостепной зонах Красноярского края, призванных создать прочную кормовую базу для мясомолочного животноводства и стабильно обеспечивать овощной продукцией главным образом население крупных городов края (Абакан, Ачинск, Канск, почти миллионный Красноярск, Лесосибирск, Минусинск, Шарыпово) и районов Крайнего Севера, в основном Норильский промышленный район (Дудинка, Норильск, Талнах...).

Однако в процессе эксплуатации экономическая эффективность и экологическое равновесие орошаемых агроэкосистем наряду с агротехническими меропрятиями – обработка почвы, подбор районированных культур, сбалансированность элементов пищевого режима и т.д.- уже в полной мере зависят от научной обоснованности, наличия базы исходных данных и уровня оперативности управления поливным режимом. Уместно напомнить, что эта проблема возникла одновременно с зарождением мелиоративной науки, основоположником которой общепризнанно считается академик ВАСХНИЛ А.Н.Костяков. Еще в 1913году он, выступая с докладом «Гидромодуль» на II-ом съезде инженеров-гидротехников России, сформулировал основные концепции и принципы водопользования и заложил тем самым информационную основу принятия оперативных решений по назначению поливных режимов путем решения уравнения водного баланса относительно Wрк [5]

H=КХ_ор+m_б±g+Wнв–Wрк=Zор+Yор, мм (1)

Где H-ресурсы суммарного увлажнения; КХ - атмосферные осадки; m_б – брутто-норма полива; Wнв Wрк - влагозапасы в корнеобитаемом почвенном слое соответственно на уровне наименьшей влагоемкости Wнв - верхний предел оптимума - и на уровне разрыва капиллярных связейWрк, именуемый как нижний предел оптимума; g- подпитка почвенного слоя грунтовыми водами (+) или инфильтрация влаги за его пределы(-); Z_ор– суммарное испарение или эвапотранспирация (транспирация агрофитоценозов + испарение с поверхности почвы); Y_ор–суммарный (поверхностный + грунтовый или вообще подземный) сток с орошаемого поля.

Из-за разнообразия почв и биологических особенностей агрофитоценозов в этом уравнении наиболее сложным является количественная оценкаZ_ор.В свое время А.М.Алпатьев[1] предложил оценивать водопотребление агрофитоценозов - при условии соблюдения оптимума почвенной влажности в пределахWнв-Wрк - путем реализации однофакторной моделиZ_ор = k_б∑d, в которойk_б-биоклиматический коэффициент;?d-сумма дефицитов влажности приземного слоя воздуха за расчетный период, мб. Этот метод сыграл в 1950-1970годы в нашей стране ключевую роль при проектировании режимов орошения. Однако, как отмечает ряд ученых[2,7,10], из поля зрения выпадает типологическая дифференциация почв по их водно-физическим свойствам-константах[8]; не учитывается микроклимат орошаемого поля; не соблюдены граничные условия процесса эвапотранспирации, определяемые максимально возможным значением этого процесса. В результате чего нередко имеют место завышенные поливные нормы, приводящие к переувлажнению почв, увеличению ирригационного стока и, как следствие, водной эрозии активного почвенного слоя, а также к неоправданным энергозатратам на транспортировку излишних водных ресурсов на орошаемые поля.

По мере накопления объема информации по тепловому балансу (ТБ) на сетевых актинометрических станциях и объектах орошения, начиная с середины 1950-х годов, получил распространение тепловоднобалансовый метод определения Z_ори режима орошения при различных методических интерпретациях структуры ТБ и тепловлагообмена в системе зона аэрации- корнеобитаемый слой почвы - агрофитоценоз - приземный слой атмосферы, изложенных в монографиях и других источниках [2,3,4,7,10].

На наш взгляд, для решения рассматриваемой проблемы наиболее предпочтительным научно-методологическим инструментом является полипараметрический метод гидролого-климатических расчетов (ГКР) В.С.Мезенцева[6,7],получивший наибольшее признание и применение в Сибири при обосновании проектных и эксплуатационных режимов гидромелиорации. В толковании ГКР структура уравнения ТБ орошаемого поля за короткие интервалы времени (сутки, декада, фенофазы периода вегетации) имеет следующий вид:

R_ор⁺-Bt_ор = LZ_ор+P_ор^- +J_нор или LZm_ор=LZ_ор+T_ор, мДж/м² (2)

где R_ор⁺ – дневной радиационный баланс;Bt_ор – теплопоток в почву;-P_ор^-турбулентный отток тепла в атмосферу; J_нор- ночное эффективное излучение; LZm_ор- потенциальные тепловые ресурсы эвапотранспирации, водным эквивалентом которых является Zm_ор- максимально возможное испарение, мм; L-скрытая теплота испарения; T_ор= P^-_ор+J_нор - тепловой сток. В этом уравнении выполняются условия: 0≤ Z_ор<Zm_ор; 0<T_ор<LZm_ор. Индексы указывают на то, что балансовые элементы (2) по численным значениям существенно отличаются от таковых на суходольных ландшафтах.

Связь уравнений(1)и(2)выражается формулой, вывод которой приводится в работе[7]

Z_ор=Zm_ор(1+α_kV_i^-rn)^-1/n или βz₀=(1+?V_i^-rn)^-1/n (3)

где, кроме известныхZ_ор и Zm_ор, ?z₀-коэффициент использования ресурсов LZm_орна процессZ_ор; Vi=W_i/Wнв - относительные влагозапасы в почве; r- безразмерный параметр, учитывающий водно-физические свойства почв; n - параметр, интегрально отражающий почвенно-геоморфологические условия суммарного стока. В отличие от [7] в модель(3) введен дополнительный параметр ?_k, который учитывает различие скорости изъятия почвенной влаги на испарение в связи с неадекватной транспирационной способностью-экологической устойчивостью того или иного агрофитоценоза приW_i<Wнв. Как показало изучение этого вопроса, при Vi=Vнв ?_k =1,а приVi< 1 ?_k>1.

Численные значения параметровrиn определяются: r=5,14e^-1,84µ, где µ- водоотдача почвы в слое корнеобитания. Он варьирует в пределах: для тяжелосуглинистых почв 4,5-5,среднесуглинистых 2,5-3,0, песчаных 1,5-2,0; n=-0.301/lg(1-η₀), где ?₀= Y_ор/(КX_ор+m_б)– коэффициент стока, Абсолютное же значения суммарного стока определяются какY_ор= ?₀(/(КX_0р+m_б), которые могут быть скорректированы натурными наблюдениями на стоковых площадках при их наличии на объектах орошения[9]. КX_0р рекомендуется измерять непосредственно на объекте орошения с помощью почвенных дождемеров, поскольку данные метеостанций из-за удаленности далеко не всегда применимы, особенно при фронтальных дождях. Параметр?_kвполнеможно определять по материалам наблюдений на почвенно-испарительной сети станций Красноярского территориального управления по гидрометеорологии или объектов орошения. Величина Zm_оррассчитывается по соотношению (R_ор⁺-Bt_ор)/L, дневные значениякоторых в свою очередьопределяются следующим образом:R⁺=2,29+0.21h₀e^Br, гдеh₀ - средняя высотасолнца за день, град.; е-экспонента; B_R=T_2.0(1-n)/f-комплексный параметр, сочетающий в себе температуру воздухаT_2.0^оC, n-приведенную облачность, в долях единицы и относительную влажность воздуха f,%; Bt=-0,2+1,27?_t, где ?_t=(T^16час.-T^7час.) - дневная амплитуда колебаний температуры почвы в слое 0-20см. Различие микроклимата на орошаемом и суходольном (метеостанция) ландшафтах устанавливается с помощью уравнений связи B_RОР=0,02+0,796B_RСУХ и Bt_ор=0,37+0,86Bt_СУХ. Элементgуравнения(1)учитывается лишь в тех случаях, когда капиллярная кайма проникает в слой корнеобитания растений, что характерно для речных пойм с близким залеганием грунтовых вод. Одним из вариантов оценки влияния gна процесс формирования ресурсов почвенной влаги и, соответственно, эвапотранспирации Zg, является зависимость, предложенная В. С.Мезенцевым[7] Bzg= Bz -(1- Bz)Kg , в которой Kg( h_г, h_k)-коэффициент, связанный с уровенным режимом грунтовых вод(h_г) и высотой капиллярной каймы(h_k) - его численные значения определяются по специальным таблицам[7].Не исключается также применение эмпирических однофакторных моделей вида g=A_г+B_гH_р, в которых напрямую в качестве аргумента выступают уровни воды в рекеH_рпри условии их тесной связи сh_г.

Совокупность рассмотренных частных моделей, разработанных по материалам теоретических[6,7] и полевых исследований(1981-2002годы) на оросительных системах «Бузим», «Исток», «Шумково» (красноярская лесостепь), стала методической базой для построения комплексной тепловоднобалансовой модели и разработки на ее основе информационной технологии управления поливным режимом применительно к орошаемым агроэкосистемам Красноярского края. Она обеспечена компьютерной программой «OPTIMUM» [9]. С ее помощью решаются следующие задачи: 1.Ежесуточное слежение за динамикой изменения почвенных влагозапасов, суммарного испарения и суммрного стока; 2.Расчет сроков и поливных норм; 3.Выдача рекомендаций по размещению поливной техники и продолжительности дождевания в зависимости от влагообеспеченности полей-единичных площадей, число и размеры которых определяются возможностью ДМ восполнить дефицит почвенной влаги за сутки, что соответствует базисному шагу тепловоднобалансовой модели.

Данная технология предусматривает выполнение следующих подготовительных операций:1.Перед началом поливного сезона инструментальным способом определяются начальные влагозапасы и водно-физические константы почв;2.Устанавливается имеющееся количество дождевальных машин и их параметры дождевания – интенсивность, крупность капель, скорость движения и площадь захвата с одной позиции (ДМУ «Фрегат», ДДН-70(100), ДДА-100МА и др.); 3.Изучается структура посевов с учетом развития мощности корневой системы во все фенофазы периода вегетации каждого агрофитоценоза;4.Проектируется количество орошаемых полей;5.Подбирается опорная метеостанция Росгидромета, способная обеспечить полной и корректной - по условиям разряда и удаленности - информацией исходных данных. Как показывает опыт, удаленность метеостанции не должна превышать 10-15км. Вся эта информация заносится в компьютер, выполняется расчет и дается первая команда на проведение предвегетационного (влагозарядкового полива). Главное меню программы содержит следующие пункты: «Метеоданные», «Просмотр и редактирование», «Параметры», «Расчет», «Ввод полива», «Графики» Информационная система закольцована по принципу прямой и обратной связи: метеотеостанция↔компьютерный центр сельхозпредприятия -компьютерный пункт на орошаемом объекте. При отсутствии компьютера, например, на метеостанции, оперативная информация может передаваться по мобильному телефону. В данной программе предусмотрено графическое отображение суточных тепловлагооборотов (см.рис), что позволяет мгновенно вносить коррективы в режим работы техники полива. Такая ситуация может иметь место при неожиданных ливневых осадках. Вообще же, надо заметить, предлагаемая технология может применяться более эффективно, если используются краткосрочные прогнозы погоды.

Посуточная динамика элементов водного баланса орошаемого поля и проведенных поливов. Племзавод «Таежный», ОС «Бузим», ДМ «Фрегат», Поле2,с/х культура - капуста,2001г.

Данная технология прошла опытную проверку и внедрена в производство (ОС«Бузим»,«Исток»), со следующими результатами: экономия энергоресурсов на подачу воды на поля орошения - 15-20 %; cнижение ирригационного стока – 25-30 %; экономический эффект – 1760руб./га(в ценах 1999г.)

Список литературы

1. Алпатьев А.М. Влагообороты в природе, их преобразование / А.М. Алпатьев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 323с.

2. Будыко М.И. Глобальная экология / М.И. Будыко. - М.: «Мысль», 1977. - 327c.

3. Добрачев Ю.П. Теория и технология управления орошением на основе эколого-физиологических моделей / Ю.П. Добрачев. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: 1998. – 56 c.

4. Константинов А.Р. Испарение в природе / А.Р. Константинов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 532 c.

5. Костяков А.Н. Избранные труды Том 1 / А.Н. Костяков. - М.: СХГИЗ, 1961. - 807c.

6. Мезенцев В.C. Гидролого-климатические условия мелиораций Средней Сибири / В.С. Мезенцев, В.М. Левшунов, В.Е. Валуев. - Природные ресурсы Сибири, Новосибирск: Изд-во « Наука» СО АН СССР, 1976. - C. 102-108.

7. Мезенцев В.C. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций /В.С. Мезенцев. - Омск: Изд-во Омcкий СХИ, 1993. - 118с.

8. Почвоведение. Учеб. для университетов. В 2 ч. / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч.1-М.: Высшая школа, 1988. - 400c.

9. Старков В.М. Компьютерная система «Оptimum» для оперативного управления поливным режимом на оросительных системах / В.М. Старков, А.Ю. Зиновьев. - М.: ЦНТИ “Мелиоводинформ”, 1998. - С.61-64.

10. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель / С.И. Харченко. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 270c. 

Назад к списку