Диссертация (1151743), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Длина вектора-столбца QQj зависит от принятой разбивки, всего такихвекторов Nx. При обратной прогонке вычисляют искомый вектор напоровпочвенной влаги Uj на конец временного шага ∆t по формуле (3.18).68Верхнее граничное условие учитывают, особым образом вычисляя первуюматрицу прогоночных коэффициентов PP0 и первый вектор-столбец QQ0.
Так,если через верхнюю границу (х=0) нет потока влаги, то H in,0+1 = H in,1+1 , тогда из (3.18)следует, что элементы диагонали матрицы PP0 равны Pii = 1 , а остальные –нулевые. Все элементы вектора-столбца QQ0 равны нулю. При физическомиспарении через поверхность почвы поток влаги равен:efi =H in,1+1 − H in,0+1Riв,0.(3.20)Поэтому диагональные элементы матрицы PP0 равны Pii = 1 , а остальные –нулевые. Элементы вектора-столбца QQ0 равны: Qi = −efi Riв,0 . Если поверхностьпочвыувлажняетсяполивом,товприведенныхвыраженияхвеличинафизического испарения заменяется интенсивностью водоподачи (м/сут), взятой собратным знаком.
Если поливается часть поверхности, то эту заменуосуществляютдлясоответствующихномеровстолбцовi.Приполивезатоплением, когда на поверхности почвы создается слой воды hув, длясоответствующих i Pii = 0 , Qi=Hув=hув - ∆i.Условия на нижней границе ( x = x Nx ) реализуются при особом вычислениипоследнего вектора напоров UNx:+1+1= H in, Nx1) при отсутствии потока влаги через нижнюю границу (водоупор) H in, Nx−1 ,поэтому в соответствии с (3.18) напоры вычисляются по формуле:+1U Nx =| H in, Nx|=|| EE − PPNx−1 ||−1 ⋅QQNx−1 ;(3.21)EE – квадратная диагональная единичная матрица, т.е.
у которой элементы Eii =1;2) при наличии дренажа или гидравлического взаимодействия с глубжезалегающими пластами (напорное подпитывание) с интенсивностьюd i = k0h p − hhgiT0;где k0 - коэффициент фильтрации раздельного слабопроницаемого пласта;69T0 - его мощность; h p - отметка пьезометрического уровня в напорном пласте,считая от поверхности земли на возвышенности или напор в дренах; hhgi уровеньгрунтовых вод в i – том столбце, считая от поверхности земли на возвышенности;напоры на нижней границе вычисляются по формуле:+1U Nx =| H in, Nx|=|| EE − PPNx−1 || −1 ⋅(QQNx−1 − ddi ) ;(3.22)где - ddi - вектор-столбец с элементами di ;3) при заданной постоянной во времени глубине грунтовых вод, точней уровнегрунтовых вод, отсчитываемом от поверхности земли на возвышенности hhgi :+1U Nx =| H in, Nx|= −hggi ;(3.23)4) при очень глубоких грунтовых водах, не участвующих в круговоротепочвенных вод,+1U Nx =| H in, Nx|=|| 1 − PPNx−1 || −1 ⋅(QQNx−1 − | 0,5hNx−1 |) ;(3.24)где |0,5hNx-1| - вектор-столбец с одинаковыми элементами, равными 0,5hNx-1.После вычисления вектора U Nx по формуле (3.18) определяют все остальныевекторы напоров, включая и U0, т.е.
получают матрицу напоров почвенной влаги,при этом напоры в крайних левом и правом столбцах приравнивают к соседним,n+1n+1исходя из отсутствия потока влаги на этих границах: H 0n,+j1 = H1n, +j 1 ; H Nr, j = H Nr −1, j .Если потоки влаги имеются, напоры вычисляют по тем же формулам, которыезакладывают в граничные условия, например, отток в дрену, находящуюся наопределенной глубине. Матрицу напоров переводят в матрицу влажностей почвыω in, +j 1 . Так как коэффициенты влагопроводности Kω и влагоемкости Cω зависят отнеизвестной заранее влажности, то приходится выполнять ряд итераций (около3…7), пока ответы по влажности не будут отличаться более чем на 0,00001объема.Знание напоров и сопротивлений позволяют подсчитать потоки влаги влюбых сечениях, как на границах области, так и внутри нее, например, перетоквлаги из одной фации в другую, или вертикальные потоки, характеризующиепромываемость почвенного слоя.70При верификации модели были использованы данные по метеостанцииНемчиновка за три года: 2012, 2013 и 2014, (табл.
3.2) и для прогноза режимаорошения по метеостанциям Нарофоминск и Кашира за 42 года: с 1959 по 2000годы (табл. 3.3-3.4). Годы наших полевых наблюдений охватывают всю гаммуувлажнений: очень сухой 2014 г.; средний 2012г. и очень влажный 2013 г.Таблица 3.2Метеоданные по м. ст. Немчиновка, мм (апрель- сентябрь)Год201220132014среднОсадки Испаряемость Дефицит42846335713456-25723766242545952768Таблица 3.3Метеоданные по м.ст. Кашира, мм (апрель – сентябрь)ГодОсадкиИспаряемостьДефицит увлажнения19591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975197619771978197919801981198219831984279.6495.2238.8467.7267.6247.5408.6287.5260.7396.3302.8267.2400.9205450.1348.4272.3342.8400430.6361.3463.1432.2417.3314.5353.4478.1478.2512.3385.2561.2500.7411.6526.6565.9536.5476.8518488.8732.3483.3465.1614.7387.1470.6393.7577.8374.5581.1404.8479.5482198.5-17273.5-82.5293.6253.23239.1305.2140.2174250.887.9527.333.2116.7342.444.370.6-36.9216.5-88.6148.9-12.5165128.6711985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000среднее492.7493.5343.8296444.8469.2349.3245.1448.3324.1256.9294.8299.6433.9333.5339.5356.6438.2481.2393.4520.2495397.1473521.6423.1432572.2525.9431.3423.3534.8436.4485.4-54.5-12.349.6224.250.2-72.1123.7276.5-25.2107.9315.3231.1131.7-10.6201.396.9128.8Таблица 3.4Метеоданные по м.ст.
Наро-Фоминск, мм (апрель – сентябрь)Год19591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975197619771978197919801981198219831984Осадки теплого периода325497.2323.6445.4284.2202.5476.6338305.7315.5406.6331.3364.4282.1519.9300302.7452.4344.4401.4338.9461.5395.6428.5450424Испаряемость431.2417.9419.8347.9458484.7389429479.2466.7402.3421.5389526400.6398.4511.4341.3399.1348444.2315.4458.3323.2275.8366.3Дефицит увлажнения106.2-79.396.2-97.5173.8282.2-87.691173.5151.2-4.390.224.6243.9-119.398.4208.7-111.154.7-53.4105.3-146.162.7-105.3-174.2-57.7721985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000Среднее476.9436.2404.5284.1481514.1487.1168.3434.7369325.7350.4356.8515.3276.4340.9379.5359.2410.8334.2415.4410359.7377532.7369.8409.3482.8456410.9431.4570.1457.5415-117.7-25.4-70.3131.3-71-154.4-110.1364.4-64.940.3157.1105.654.1-83.9293.7116.635.5При моделировании детально учитывались водно-физические свойствасреднесуглинистых дерново-подзолистых почв опытного участка, типичных дляПодмосковья (табл.
3.5).Таблица 3.5Свойства почв, используемые при моделированииГоризонтТолщина,мAB1B2C0.40.60.3>B2Пористость,Коэфф.Высота ПлотностьМакс.НВ, долидолифильтрации,кап.сложения,гигроскоп. пористостиобъемам/сутподъема, мг/см30.50.0570.70.321.30.4690.0540.760.321.40.4710.0530.720.22.51.380.4720.0550.70.41.81.4Как было указано выше, моделировались разные варианты увлажнения,всего 9 вариантов. На опытном участке ширина междурядий была 4,2 м,расстояние между деревьями в ряду при шпалерной посадке 1,5 м, количестводеревьев на одном гектаре 1585.
Моделирование осложнялось из-за установкитрех капельниц в ряду деревьев. Поэтому выделялась полоса шириной 0,5 м, накоторой функционировала одна капельница, принималось, что густота корней наэтих полосах была примерно одинакова.73Водоподача одной капельницы принималась равной 1,2 л/час, поливныенормы назначались в соответствии с вариантами пределов увлажнения.3.3.Формирование контуров увлажнения и определение их геометрическихпоказателейПри капельном орошении распределение влаги в почве происходит как ввертикальном направлении под действием гравитационных сил по крупнымпорам и капиллярам, так и в горизонтальном – под воздействием капиллярныхсил.
При этом увлажняется не весь объём, а контур увлажнения, под которымпонимаетсяпочвенноепространствовпределахусловнойконтурнойповерхности, охваченное увлажнением из точечного или линейного источникаоросительной воды (Шкура В.Н., 2013).Геометрические параметры увлажняемой зоны при подаче воды изкапельницы зависят от расхода капельницы, продолжительности полива, схемырасположения капельниц, уровня исходной увлажнённости почвенного слоя,поливной нормы, гранулометрического состава и пористости почвы.
Размерыконтура увлажнения также зависят от капиллярных свойств почвы. Основнымигеометрическими параметрами контура увлажнения при капельном орошенииявляются глубина увлажняемого слоя, максимальный радиус и радиус контура наповерхности земли, размеры которых устанавливаются от оси капельницы.Как известно, в контурах увлажнения вода движется при неполномвлагонасыщении и известные формулы фильтрации не позволяют достаточноточно описать параметры увлажняемой зоны. С учётом возможных погрешностейнами были подсчитаны контуры увлажнения при малых нормах полива и частомрасположении капельниц. Результаты исследований приведены на рис.
3.1-3.2, гдепо оси абсцисс показаны расстояния от капельницы, а по оси ординат – высотанад точкой отсчёта зоны аэрации.На рисунках показаны изолинии объёмной влажности почвы сразу послеокончания одного из поливов. Расположение капельниц частое, через 0,5 м,74поэтому наблюдается быстрое смыкание контуров увлажнения. Это оправдываетусловия почти равномерного увлажнения траншеи шпалерного сада по её длине.Из-за малых норм глубина промачивания незначительна, около 0,2…0,25 м. Сувеличением расходакапельниц контурболееувлажнен и«обжат» вгоризонтальном и вертикальном направлениях, время смыкания контуров заметноуменьшается. С увеличением норм полива при прочих равных условиях контурыувлажнения увеличиваются вместе с ростом глубины увлажнения; времясмыкания контуров уменьшается.А)Б)1.951.951.91.91.851.851.81.81.751.751.71.71.651.651.61.61.550.050.10.150.20.251.550.050.10.150.20.25Рисунок 3.1. Распределение изолиний объёмной влажности почвы:А) Пределы увлажнения 0,7…0,9 НВ, расход капельницы =1л/час, норма 1,1л/кап; Б) Пределы увлажнения 0,6…0,9 НВ, расход капельницы =1л/час, норма1,6 л/капПределы регулирования влажности почвы в контуре увлажнения ипродолжительностькапельницы.поливаПоэтомуопределяются,параметрыглавнымувлажняемойзоныобразом,расходомдостоверноможноустановить только путём моделирования или в полевых условиях на участкеисследования.75А)Б)1.951.951.91.91.851.851.81.81.751.751.71.71.651.651.61.61.551.550.050.10.150.20.250.050.10.150.20.25Рисунок 3.2.
Распределение изолиний объёмной влажности почвы:А) Пределы увлажнения 0,6…0,9 НВ, расход капельницы = 2л/час, норма 1,6л/кап; Б) Пределы увлажнения 0,6…0,9 НВ, расход капельницы =2 л/час, норма3,1 л/капФизическое моделирование нами было проведено в лабораторных условиях.Для этого была изготовлена специальная стендовая установка с насыпнойсреднесуглинистой почвой опытного участка. Почва уплотнялась близко кестественному сложению плотности. Подача воды проводилась из бака сосредним расходом капельницы 1,2 л/ч. Процесс моделирования в основномсоответствовал контуру увлажнения в полевом опыте. Исследования на стендовойустановке проводились при различных уровнях предполивной влажности почвы ипродолжались в течение семи часов.
При этом изучались параметры увлажнениязоны, сформированной капельницей (диаметр и глубина увлажнения). Результаты76физического моделирования (табл. 3.6) показали, что при повышении уровняпредполивной влажности почвы контур увлажнения увеличивался.Таблица 3.6Контур увлажнения почвы при капельном орошении плодового сада порезультатам физического моделированияПродолжительность полива, мин.Уровеньпредполивн Показательойпромачиван12 15 18 24 30 36 4230 60 90ия, смвлажности0000000почвыДиаметр14 22 29 33 36 41 49 57 60 6365% НВГлубина7 15 20 23 26 28 32 35 37 41Диаметр15 23 30 34 37 42 50 58 62 6475% НВГлубина9 19 24 27 30 32 36 39 42 44Диаметр16 24 31 35 38 43 52 60 64 6585% НВГлубина10 22 27 30 32 34 39 43 45 46Так, при поддержании порога предполивной влажности почвы 65% НВ,глубина увлажняемого слоя через 3 часа подачи воды составляла 28 см, а через 7часов достигла 40 см.
При этом диаметр увлажнения был больше глубиныпромачивания примерно в 1,6 раза и составил соответственно 41 и 63 см. Сувеличением предполивной влажности почвы до 75% НВ изучаемые параметрыувеличились несущественно: диаметр увлажняемой зоны и глубина промачиваниясоставили соответственно 42 и 32 см при продолжительности подачи воды черезкапельницу в течение трёх часов и 64 и 44 см при продолжительности 7 часов.Наибольшие размеры контура увлажнения были зафиксированы при режимепредполивной влажности почвы 85% НВ. Здесь диаметр увлажняемой зоныпостепенно возрастал от 43 см при продолжительности работы капельницы втечение трёх часов до 65 см – при работе капельницы в течение 7 часов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
