DETERMINATION OF THE MAIN ELEMENTS OF MOLE IRRIGATION TECHNOLOGY IN THE CONDITIONS OF THE LOWER VOLGA REGION

Кротовое орошение является разновидностью внутрипочвенного полива. Поливная сеть при кротовом орошении представляет из себя сеть ежегодно нарезаемых с помощью специального рабочего органа почвенных труб – кротовых оросителей (см. рис. 1). Обладая всеми достоинствами внутрипочвенного полива этот способ не требует капитального строительства орошаемого участка, в результате чего затраты на поливную сеть снижаются к минимуму. В связи с этим кротовый способ полива имеет большую перспективу развития по всему миру, поэтому изучением особенностей данного способа орошения занимаются во множестве стран на всех континентах. В Европе такие исследования проводятся в Португалии

[1]

, Великобритании

[2]

, Ирландии

[3]

и Нидерландах

[4]

, в азиатской части Евразии - в Узбекистане

[5]

, Таиланде

[6]

, Иране

[7]

и Китае

[8]

, на Африканском континенте – в Египте

[9]

, в Северной Америке – в США

[10]

и Канаде

[11]

, а в Южной – в Бразилии

[12]

и Аргентине

[13]

. Данным вопросом занимаются учёные и из Австралии

[14]

.

Рисунок 1 - Кротовый ороситель

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.1

В России кротовое орошение рассматривали как способ утилизации сточных вод

[15]

,

[16]

, а также как противоэрозионную технологию орошения склоновых земель при поливе виноградников

[17]

и как дополнительный способ полива угловых участков поля с дождевальной машиной кругового действия

[18]

.

На светло-каштановых почвах Нижнего Поволжья исследования особенностей кротового способа полива проводятся впервые.

В целях обеспечения эффективного управления кротовым орошением необходимо провести исследование закономерностей изменения режима работы кротовых оросителей и распределение влаги в почве при подаче различных поливных норм.

В связи с этим одной из задач наших исследований было изучение динамики контуров увлажнения и основных элементов технологий полива кротовым орошением при разных режимах работы оросителя.

Исследования были проведены в 2022 г. в Волгоградской области на опытных полях Учебно-научно-производственного центра «Горная Поляна» Волгоградского государственного аграрного университета. Почвенно-климатические условия Волгоградской области являются типичными для Нижнего Поволжья: климат – резко континентальный, лето – жаркое и сухое с практически полным отсутствием дождей в июле и августе, а зима – холодная и малоснежная, почвы опытного участка – светло-каштановые, средне- и тяжёлосуглинистые. Грунтовые воды находились на глубине более трёх метров и не влияли на динамику изменения влажности почвы в исследуемом слое 0,0-1,0 м.

Наблюдения за характером распределения оросительной воды в зависимости от режима работы кротовых оросителей проводили в трёхкратной повторности по трём кротовинам периодически в течении поливного сезона. В статье представлены наиболее типичные расположения изоплет влажности почвы в середине кротовины в почвенном разрезе глубиной 100 см и в вправо и влево от оросителя на расстояние 100 см.

Измерение влажности почвы для построения контуров увлажнения проводили на следующий день после полива термостатно-весовым способом. Отбор проб проводили вправо и влево от оси кротовины на расстояние 100 см с шагом 20 см и на глубину до 100 см с таким же шагом.

В наших опытах были изучены закономерности изменения режима работы кротовых оросителей при возрастании поливных норм от 100 до 200 и далее до 300 м3/га. Поливные нормы подавались дробно, частями до полного заполнения сечения кротовины.

На основании ранее проведённых полевых опытов были выбраны наиболее эффективные параметры кротовых оросителей: длина кротовин - 75 м, диаметр – 60 мм, а глубина нарезки – 0,4 м. Исследования проводили на трёх кротовых оросителях с идентичными параметрами.

Для предотвращения выклинивания воды на поверхность почвы напор в наших опытах не превышал глубину нарезки кротовых оросителей и составлял 0,35…0,36 м. Такой напор создавали с помощью напорной ёмкости, в которой поддерживали заданный уровень воды и к которой подключалась распределительная сеть трубопроводов (см. рис. 2). Напор измеряли в 3-х местах по длине кротовины с помощью пьезометров (на расстоянии 5, 38 и 70 м от входа). Пьезометр представлял из себя полую прозрачную трубку, внутрь которой помещался поплавок с удлинителем, позволяющим зафиксировать величину напора не превышающую глубину нарезки кротовины.

Рисунок 2 - Напорная и распределительная сеть системы кротового орошения

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.2

Объём водоподачи и расход измеряли с помощью счётчика, смонтированного на подводящей сети.

Математическую обработку полученных результатов и построение изоплет влажности почвы проводили с помощью «Microsoft Excel 2010», «Surfer 12» и «STATISTICA».

Напор, расход и продолжительность полива в зависимости от режима работы кротовых оросителей показаны в таблице 1.

Результаты опытов показали, что на всех вариантах опыта после полного заполнения кротовины напор в её начале на расстоянии 5 м от входа был таким же как в напорной ёмкости – 0,35…0,36 м. К середине кротовины (38 м от входа) напор снижался до 0,32…0,33 м, а в конце (70 м от входа) возрастал до 0,34…0,35 м. Таким образом, снижение напора в середине увлажнителя составляло 0,03 м или 8,3%, а в конце – 0,01 м или 2,7%.

Дальнейшие расчёты показали, что при длине кротовых оросителей 75 м и расстоянии между ними 1 м на 1 га приходится 133 кротовины, в результате при поливных нормах 100, 200 и 300 м3/га соответственно общий объём водоподачи в 1 кротовину составлял 0,75; 1,50 и 2,25 м3.

Продолжительность полива так же сильно зависела от поливной нормы и суммарно составляла 3,7 ч при 100 м3/га, 7,7 ч при 200 м3/га и 12,1 ч при 300 м3/га.

Из-за снижения скорости впитывания расход оросительной воды в течении полива был непостоянным, поэтому был рассчитан средний расход в 1 кротовину и на 1 га за всё время подачи воды. В результате, наши опыты показали, что с увеличением поливной нормы от 100 до 200 и далее до 300 м3/га средний расход снижался. Так средний расход на 1 га уменьшался от 27,0 до 26,0 и далее до 24,8 м3/ч, а расход в 1 кротовину – от 0,056 до 0,054 и далее до 0,052 л/сек.

Контура увлажнения при подаче поливных норм 100, 200 и 300 м3/га соответственно показаны на рисунках 3, 4 и 5.

Рисунок 3 - Изоплеты влажности почвыпри подаче поливной нормы 100 м3/га

Примечание: % НВ

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.4

Рисунок 4 - Изоплеты влажности почвы при подаче поливной нормы 200 м3/га

Примечание: % НВ

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.5

Рисунок 5 - Изоплеты влажности почвы при подаче поливной нормы 300 м3/га

Примечание: % НВ

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.6

После построения изоплет влажности почвы мы оценивали эффективность распределения оросительной воды по почвенному срезу. Для удобства было выделено 3 зоны с различной степенью увлажнения:

• зона переувлажнения (˃ 110% НВ);

• зона нормального увлажнения (90…110% НВ);

• зона пониженного увлажнения (75…90% НВ).

Границы этих зон отчётливо демонстрируют характер увлажнения почвы в зависимости от длины кротовых оросителей.

Границы зон увлажнения по вариантам опыта показаны в таблице 2.

Изучение контуров увлажнения на следующий день после полива показало, что на варианте опыта с поливной нормой 100 м3/га верхняя граница зоны переувлажнения находилась на глубине 35 см от поверхности земли, а нижняя граница - на глубине 58 см. Влево и вправо зона переувлажнения распространилась на 10 и 14 см от кротовины соответственно. При увеличении поливной нормы до 200 и далее до 300 м3/га соответственно эта зона распространялась вверх до глубины 27 и 26 см, вниз – до 67 и 74 см, влево – на 21 и 35 см от оси кротовины, а вправо – 26 и 33 см.

Граница зоны нормального увлажнения с увеличением поливной нормы от 100 до 300 м3/га продвигалась вверх ближе к поверхности почвы от глубины 18 до 15 см, а вниз уходила вглубь от глубины 75 до 95 см. Левая граница перемещалась на 34…54 см влево, а правая – на 29…56 см вправо от оси кротовины.

Зона пониженного увлажнения распространялась аналогично.

Таким образом, исследования показали, что с увеличением величины поливных норм от 100 до 300 м3/га границы зон увлажнения изменяются равномерно с отклонением вправо и влево от средних значений ± 2…4 см, в то время, как по вертикали наблюдалась иная закономерность. Граница зоны переувлажнения выше кротователя снижалась от 35 до 26 см, то есть, на 9 см и на 2…3 см - в зоне нормального и пониженного увлажнения. Ниже оси кротового оросителя изоплета влажности 110 % НВ перемещалась вниз на 16 см, а 90 и 75 % НВ – на 20 и более см. Следовательно, с увеличением величины подачи поливных норм от 100 до 300 м3/га контур кротового увлажнения почвы значительно вытягивался вниз, равномерно распределяясь вправо и влево от оси кротового оросителя.

Такую закономерность необходимо строго учитывать при проведении данного способа полива, чтобы не допустить фильтрацию воды в нижележащие горизонты почвы.

Изменение площадей изучаемых зон увлажнения в зависимости от поливной нормы приведено в таблице 3.

При возрастании поливной нормы от 100 до 300 м3/га площадь зоны переувлажнения возрастала от 511 до 2106 см2, зоны нормального увлажнения – от 2377 до 4171 см2, зоны пониженного увлажнения – от 3886 до 4334 см2. В результате, общая площадь зоны увлажнения увеличилась от 6774 до 10611 см2.

Зона пониженного увлажнения будучи самой большой на 40,8…57,4 % формировала общую площадь увлажнения. Промежуточное положение занимала зона нормального увлажнения, которая занимала 32,0…39,3% общей площади увлажнения в почвенном профиле 100*200 см. Наименьшую долю 7,5…19,8% занимала зона переувлажнения.

Таким образом, исследования показали, что временно переувлажнённая зона на следующий день после полива составляла не более 20%. Занимаемая площадь зоны кротового увлажнения почвы в почвенном профиле 100*200 см при возрастании поливной нормы от 100 до 300 м3/га возрастала от 33,9 до 53,1%.

В ходе дальнейшего анализа результатов исследований был проведён однофакторный дисперсионный анализ по значениям площадей 3-х зон увлажнения при трёх вариантах поливной нормы – 100, 200 и 300 м3/га. Расчет наименьшей существенной разности (НСР05) для статистической обработки данных показал, что площади трёх зон увлажнения по вариантам опыта при подаче трёх вариантов поливных норм различались существенно, поскольку F фактическое (Fф) было больше F критического (F05):

· для зоны переувлажнения (˃ 110% НВ) – Fф=16,5> F05=7,709;

· для зоны нормального увлажнения (90…110% НВ) – Fф=28,9> F05=7,709;

· для зоны пониженного увлажнения (75…90% НВ) – Fф=691,4> F05=7,709.

То есть для значений площади зоны переувлажнения НСР05 составляла 324 см2, а фактическая разница находилась в пределах 400…1595 см2. Для зоны нормального увлажнения НСР05 составляла 386 см2 при фактической разнице между значениями 435…1794 см2. Площади зоны пониженного увлажнения так же различались существенно: НСР05 составляла 64 см2, а фактическая разница – 70…448 см2.

Дальнейшая статистическая обработка результатов исследований позволила выразить зависимость между величиной поливной нормы (X) и площадью увлажнения (Y) в виде уравнения множественной регрессии:

Коэффициента детерминации (R2) данного уравнения составлял 0,763, что говорит нам о том, что полученная модель с высокой степенью достоверности описывает исходные данные (т. к. 0,7 < |R2| < 1). Установлено, что в исследуемой ситуации 76.3% общей вариабельности Y (площадь увлажнения) объясняется изменением факторов X (величиной поливной нормы).

Если рассмотреть контур увлажнения (площадь увлажнения), как функцию от рассматриваемой зоны увлажнения (влажность почвы, приняв 100% НВ за единицу) и величины поливных норм при кротовом орошении, то эту поверхность регрессии можно изобразить в виде представленного графика и уравнения (см. рис. 6).

Рисунок 6 - График поверхности для площади увлажнения, величины поливной нормы и влажности почвы

DOI:10.23649/JAE.2023.39.4.9

Таким образом, проведённые на светло-каштановых почвах Нижнего Поволжья в 2022 г. исследования показали, что при подаче поливных норм от 100 до 300 м3/га в кротовые оросители длиной 75 м снижение напора по длине составляло 2,7…8,3 %, что говорит нам о высокой равномерности создаваемого напора на всём протяжении кротового оросителя независимо от поливной нормы.

Изучение режима работы кротового оросителя при дробной подаче различных поливных норм показало, что с увеличением нормы полива от 100 до 300 м3/га объём водоподачи в 1 кротовину и продолжительность полива соответственно возрастали суммарно от 0,75 до 2,25 м3 и от 3,7 до 12,1 ч, а средний расход в 1 кротовину и на 1 га снижались от 0,056 до 0,052 л/сек и от 27,03 до 24,79 м3/ч соответственно.

При изучении динамики контуров увлажнения было установлено, что верхняя граница зоны нормального увлажнения на следующий день после полива при возрастании поливной нормы от 100 до 300 м3/га поднималась ближе к поверхности земли от глубины 18 до 15 см, а нижняя граница перемещалась вниз от глубины 75 до 95 см. Слева и справа от кротовины границы этой зоны распространились на 34 и 29 см при 100 м3/га, а при 300 м3/га на 54 и 56 см. В результате площадь зоны нормального увлажнения возрастала от 2377 до 4171 см2, занимая 32,0…39,3% от общего контура увлажнения. Граница общего контура увлажнения при возрастании количества поливной воды от 100 до 300 м3/га сверху кротовины достигала глубины 3…6 см, а снизу – 87…100 см. Влево эта граница распространялась на 62…79 см, а вправо – на 54…83 см. В результате чего площадь общей зоны увлажнения увеличивалась от 6774 до 10611 см2.

Таким образом, исследования показали, что с увеличением величины поливных норм от 100 до 300 м3/га границы зон увлажнения изменялись равномерно с отклонением вправо и влево от средних значений ± 2…4 см, в то время, как по вертикали наблюдалась иная закономерность. Граница зоны переувлажнения (˃ 110% НВ) выше кротователя снижалась от 35 до 26 см, то есть, на 9 см и на 2…3 см – в зоне нормального (90…110% НВ) и пониженного (75…90 % НВ) увлажнения. Ниже оси кротового оросителя изоплета влажности 110% НВ перемещалась вниз на 16 см, а 90 и 75% НВ – на 20 и более см. Следовательно, с увеличением величины подачи поливных норм от 100 до 300 м3/га контур кротового увлажнения почвы значительно вытягивался вниз, равномерно распределяясь вправо и влево от оси кротового оросителя.

Также проведённые опыты показали, что временно переувлажнённая зона на следующий день после полива составляла не более 20%, а занимаемая площадь зоны кротового увлажнения почвы в почвенном профиле 100*200 см при возрастании поливной нормы от 100 до 300 м3/га возрастала от 33,9 до 53,1%.

Математическая обработка результатов исследований показала, что площади рассматриваемых трёх зон увлажнения существенно изменялись при возрастании поливных норм от 100 до 200 и далее до 300 м3/га.