Автор настоящей работы сердечно благодарен за научные консультации академику РАСХН, доктору технических наук, профессору Шумакову Борису Борисовичу, академику РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Кружилину Ивану Пантелеевичу, а также за ценные советы, постоянную помощь и поддержку сотрудникам ВНИИГиМ д.с-х.н. Шейнкину Григорию Юдковичу, д.т.н. Губеру Кириллу Вадимовичу, д.с-х.н. Бородычеву Виктору Владимировичу, к.с-х.н. Губину Владимиру Константиновичу, к.т.н. Канардову Владимиру Ивановичу.

Глава 1. Существующие способы и перспективы применения малообъемного орошения

В первой главе представлен анализ современного состояния технологии и технических средств капельного орошения, микродождевания, мелкодисперсного и синхронного импульсного дождевания и внутрипочвенного орошения. В результате анализа работ А.Н.Костякова, Б.Б.Шумакова, И.П.Кружилина, Б.М.Кизяева, С.Ф.Аверьянова, И.П.Айдарова, М.С.Григорова, В.И.Ольгаренко, Г.В.Ольгаренко, А.Д.Александрова, Г.Ю.Шейнкина, Л.М.Рекса, А.И.Голованова, О.Г.Грамматикати, Л.В.Кирейчевой, В.Е.Райнина, Д.П.Гостищева, К.В.Губера, В.А.Сурина, А.Ш.Джалилова, Н.Н.Дубенка, А.Д.Ахмедова, Д.П.Семаша, М.Г.Журбы, М.И.Ромащенко, В.Н.Корюненко, Н.К.Нурматова, Б.К.Рассолова, В.Ф.Носенко, В.И.Канардова, В.К.Губина, Г.В.Лебедева, Н.П.Митянина, Р.М.Муртазина, И.И.Саидова, В.М.Колядича, А.А.Федорца, I.Balogh, M.Decroix, S.Goldberg, P.Grossi, C.Gustafson и др. установлено, что существующие методы оценки выбора технических средств и схем малообъемного орошения недостаточно полно учитывают требования растений и почв к элементам оросительных систем. Разработанные отечественные технические средства не позволяют в полной мере использовать их для полива овощных, бахчевых и других культур на крупных орошаемых системах, а также на садово-огородных и приусадебных участках, что тормозит процесс внедрения их в производство.

Исследования показали, что экономия воды при малообъемном орошении в зависимости от применяемой технологии и технических средств, почвенно-климатических условий и особенностей возделываемых культур может достигать 40...60 % по сравнению с поверхностным поливом и дождеванием. Экономное расходование воды в таких системах обеспечивает высокую их эффективность за счет повышения КПД до 0,8-0,95 (при поверхностном орошении 0,5 - 0,6, при орошении дождеванием 0,7 - 0,8). Использование малообъемного орошения способствует уменьшению числа механизированных обработок почвы, сокращению или полному исключению планировочных работ, а также дренажа. На системах малообъемного орошения отмечается более раннее созревание сельскохозяйственных культур, возможно внесение питательных веществ и гербицидов с поливной водой, что снижает потребление удобрений на 30-50 % по сравнению с традиционными способами их внесения.

При капельном орошении оросительную воду по системе трубопроводов подводят непосредственно к растению или группе растений и подают через микроводовыпуск в виде капель или мелких струек в одну точку расходом, обеспечивающим полное впитывание воды без образования поверхностного стока или глубинного сброса воды. В настоящее время капельное орошение широко распространено в мире и применяется на площади более 1,5 млн. гектар. Более 70 % площади капельного орошения занимают сады и виноградники, а на остальной площади возделываются овощи, ягодники, хлопчатник и др. Наиболее развит этот способ в США, Австралии, Израиле, Италии и Франции. Микродождевание применяется чаще всего для полива плодовых культур дождевальными насадками с расходом воды 16...50 л/ч, действующими под давлением 0,1...0,4 МПа. В зависимости от конструкции микродождевателей диаметр площади полива может изменяться от 0,8 до 4,7м. Основное преимущество микродождевания по сравнению с капельным орошением - это снижение требований к очистке поливной воды. Рабочее давление при микродождевании в 3...4 раза меньше, чем на обычных дождевальных установках, вследствие чего экономия энергии достигает 20...30 %. Мелкодисперсное дождевание находит применение для регулирования фитоклимата на орошаемых полях. Оно позволяет в экстремальных погодных условиях поддерживать благоприятные для произрастания сельскохозяйственных культур фитоклиматические параметры, способствующие устранению депрессии фотосинтеза и тем самым, повышению урожайности. Мелкодисперсное дождевание в жаркое время дня может быть использовано как эффективный прием борьбы с суховеями. Системы синхронного импульсного дождевания наиболее эффективны при орошении кормовых культур сплошного сева на землях с крутыми склонами и изрезанным рельефом. Отличительной особенностью таких оросительных систем является работа импульсных дождевателей в цикличном режиме и обеспечение водоподачи, равной суточной эвапотранспирации. Внутрипочвенное орошение включает подачу воды по подпочвенным увлажнителям в корнеобитаемый слой, где происходит увлажнение за счет капиллярного передвижения влаги. Внутрипочвенное орошение способствует сохранению структуры почвы, поддерживает постоянное и равномерное увлажнение почвы в течение всего вегетационного периода. Благодаря преобладанию восходящего передвижения влаги, питательные вещества не вымываются из верхних слоев почвы. Внутрипочвенный полив почти не имеет потерь на испарение с поверхности.

Глава 2. Теоретические основы малообъемного орошения

Во второй главе показаны теоретические представления о закономерностях увлажнения почвы и расчет водного баланса при применении малообъемного орошения агроландшафтов. Для разработки режимов малообъемного орошения выполнены теоретические расчеты контуров увлажнения при капельном орошении и микродождевании.

В общем случае при определении коэффициента влагопроводности используется полуэмпирическая модель С.Ф.Аверьянова (1970). Данная модель применима для расчета динамики распределения влаги в почве в тех случаях, когда увлажняется вся поверхность орошаемого массива. При расчете режима малообъемного орошения большую роль играет оценка параметров (расход воды, продолжительность полива, механический состав почвы, коэффициент фильтрации) и показателей (видимый контур увлажнения, диаметр контура увлажнения, глубина промачивания) распределения влаги, проводимый по фактическим эпюрам влажности. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечения при поливе равномерного распределения влаги по всей площади питания растений.

Основными факторами формирования контура увлажнения (w) в почвенном профиле от точечного источника являются: q - расход водоисточника, h - глубина насыщения влагой в почве; t - время распределения влаги в почве (время полива), b - ширина контура увлажнения;

w = f (q,h,t,b). (1)

При выводе дифференциального уравнения увлажнения почвенного слоя для оценки показателей контура увлажнения исходят из уравнения неразрывности П.Я. Полубариновой-Кочиной (1977).

(2)

где: V_x, V_y, V_z - составляющие скорости фильтрации.

Определение времени движения воды в почве предлагается проводить по уравнению (И.И.Кулабухова, 1977):

; (3)

где: А и В - степенные функции, зависящие от изменения размеров контура увлажнения, влажности почвы во время проведения полива и водно-физических свойств грунтов.

Поливная норма m для одиночного контура (А.Н.Костяков, 1960) определяется по зависимости:

m = 10 Fh(_нв -_пв), (4)

где: F- площадь увлажнения, м²; h- глубина расчетного слоя, м; - плотность почвы, т/м³; _нв - требуемая влажность в % НВ, _пв - исходная предполивная влажность почвы, соответствующая нижней границе оптимального увлажнения почвы, %.

М.И.Ромащенко (1995) на основе имитационного моделирования установил степенные зависимости для определения диаметра D зоны (контура) увлажнения (М.И. Ромащенко, 1995):

D = Q^m (5)

и глубины:

h = Q^k (6)

где d и h – диаметр и глубина зоны увлажнения, м; Q – объем водоподачи, л; , , m, k – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа почвогрунта.

Исследования формирования зоны увлажнения с точечным водовыпуском на поверхности почвы проведены на основе имитационного моделирования. В результате статистической обработки экспериментальных данных была получена расчетная зависимость для определения предельных размеров контура увлажнения D (см) при распространении влаги в различных почвах (Дополнение к пособию к СНИП 2.06.03-85, 1988). При имитационном моделировании приняты следующие исходные данные: оптимальные величины влажности почвы - 0,6...0,7 наименьшей влагоемкости (НВ) для песков и 0,7...0,8 НВ для суглинков и глин; расход водоисточника Q≤ 1,7 см³/с (водоподача до 4,0...6,0 л/ч); экспериментально установленные размеры видимого контура увлажнения на поверхности почвы d: для песков 4-6 см, для супесей 5-23 см, для суглинков 15-23 см, для глин 35-52 см.

Полученная зависимость имеет вид:

(7)

где: Q -расход водовыпуска, см³/с; d - диаметр видимого контура увлажнения на поверхности почвы, см; k - коэффициент фильтрации, см/с;  - безразмерный коэффициент, зависящий от капиллярных свойств грунта.

Учитывая сложность расчета периода увлажнения почвы по уравнению (3), предложена эмпирическая формула для расчета продолжительности t распространения влаги на заданную глубину h.

; (8)

где: n -безразмерный коэффициент, зависящий от водно-физических свойств (n = 0,05 - для песчаных грунтов; n = 0,2 - для глинистых и суглинистых почв); V - объем увлажненной почвы; Q - расход водовыпуска, м³/час.

В таблице 1 приведены основные параметры диаметра контура увлажнения D в почве, определенные в лабораторных и полевых исследованиях. Параметры видимого контура увлажнения d и коэффициент  получены в результате обобщения экспериментальных данных.

Расчет поливных норм при капельном орошении проводится в зависимости от размера контура увлажнения почвы.

Таблица 1. Экспериментальные данные по определению диаметра контура увлажнения D при капельном орошении в зависимости от воднофизических свойств почвогрунтов.

В частном случае для средних и тяжелых почв, у которых влагопроводность по вертикали и горизонтали близки между собой, контур увлажнения представляет собой усеченный шар или шаровой пояс (рисунок 1,2). Для определения объема увлажненной почвы V_k предложена расчетная зависимость:

V_k =V_{шар. пояса}= V_шара- (V_{1 шар. сегм.}+ V_{2 шар. сегм.}) =

=4/3 R³- h²₁(R - 1 /3 h₁)+  h²₂(R - 1 /3 h₂)  , (9)

где: R - радиус шара; h₁ - высота верхнего сегмента; h₂ - высота нижнего сегмента.