Расчет водного баланса мелиоративной системы

При реконструкции мелиоративной системы следует проанализировать методом водобалансовых расчетов необходимость сброса и дополнительного увлажнения почвы в вегетационный период. Если возникает необходимость дополнительного увлажнения, то рационально рассматривать систему двухстороннего регулирования. Для этого существующую систему, в зависимости от почв и положения УГВ необходимо  дополнить водоподпорными сооружениями на каналах (трубы-регуляторы, шлюзы), на дренажных коллекторах (колодцы-регуляторы), или придется устраивать систему дождевания (насосная станция, сеть напорных трубопроводов с соответствующей арматурой, дождевальная техника).

Для определения необходимости дополнительного увлажнения почвы по декадам вегетационного периода или отвода избыточных вод в курсовом проекте можно использовать метод водобалансовых расчетов при  выращивании сельскохозяйственных культур. Этот метод используют при составлении хозяйственных планов водопользования, когда определяют режим регулирования влажности почвы на определенный по водности год.

В хозяйственный план водопользования включают ведомость водного режима почвы; определение сроков, норм полива и сброса избыточных вод; оперативный план регулирования водного режима почвы.

Исходными материалами для составления хозяйственного плана водопользования является план мелиоративной системы, почвенная карта, данные о водно-физических показателях почвы, план размещения сельскохозяйственных культур, сведения об уровнях грунтовых вод, прогнозы и данные о климатических условиях на расчетный год, сведения о дождевальной технике.

В курсовом проекте водобалансовые расчеты следует провести по всем сельскохозяйственным культурам, которые приведены в задании на проектирование.

Форма ведомости и пример расчета водного режима при увлажнении почвы дождеванием приведена в табл. 10. Месяцы и декады увязывают с продолжительностью вегетационного периода культур. Первая декада и месяц соответствуют началу вегетации растений, зависят от климатических условий района расположения мелиорируемого участка и принимают их с учетом опытных данных за прошлые годы (приложение 5). Продолжительность периода вегетации сельскохозяйственных культур приведена в табл. 6.

Глубину грунтовых вод по месяцам и декадам вегетационного периода следует принимать по фактическим замерам на мелиорируемом участке, ориентируясь по году-аналогу. В курсовом проекте можно использовать ориентировочное положение УГВ из приложения 3.

Таблица 6 –Продолжительность вегетации сельскохозяйственных культур

Минимальную глубину корнеобитаемого слоя первой расчетной декады принимают 10 см. В последующие декады прибавляют интенсивность прироста корневой системы (см. задание) до максимальной расчетной глубины (табл. 7).

Таблица 7 –  Максимальная расчетная глубина корнеобитаемого слоя почвы, см

Водные свойства почвы W_п (влагозапас при полной влагоемкости, когда все поры почвы заполнены водой), W_нв (влагозапас при наименьшей влагоемкости), W_з (влагозапас при влажности завядания растений) определяют полевым и лабораторным способами по существующим методикам. В курсовом проекте их можно ориентировочно определить с использованием приложения 4 по формуле

где,  – глубина корнеобитаемого слоя почвы, м;

 – влажность почвы в процентах от объема.

Количество атмосферных осадков определяется по формуле

Р_и = 10 × К × Р, м³/га,

где К – коэффициент использования осадков (К = 0,7...0,8);

  Р – количество осадков, выпавших за декаду, мм (приложение 6).

Подпитывание грунтовыми водами определяется по данным приведенным в табл. 8, где Н_г – глубина грунтовых вод, см; h_кс – глубина корнеобитаемого слоя почвы, см. Для перевода значений V_г из см/сут в м³/га необходимо принятые по таблице величины умножить на 100 Т, где Т – продолжительность расчетного периода в сутках (декада, пентада).

Таблица 8. Величина подпитывания корнеобитаемого слоя почвы

Грунтовыми водами

Водопотребление сельскохозяйственных культур (суммарное испарение) Е определяют по общим и выведенным для конкретных условий формулам, а также используют данные метеостанций и справочной литературы. Водопотребление можно определить по приложениям 7, 8, 9 в зависимости от района расположения участка, обеспеченности испарения и возделываемой культуры. Затем по приложениям 10, 11, используя типовое внутрисезонное распределение испарения (в процентах от общего) для разных культур, определяют водопотребление по декадам расчетного периода. Полученную величину в мм следует умножить на 10 (для перевода в м³/га) и занести в графу 11 табл. 9.

Влагозапасы в зоне увеличения корнеобитаемого слоя почвы за следующую декаду определяются по формуле

,

,

где  – увеличение корнеобитаемого слоя почвы за декаду, м;

    – мощность корнеобитаемого слоя следующей декады, м;

    – мощность корнеобитаемого слоя почвы предыдущей декады, м;

   – влажность почвы в этом слое в процентах от ее объема. В данном (первом) случае

где  – влажность почвы при наименьшей влагоемкости в слое Δh зоны прироста корней растений (приложение 4);

– влажность почвы при допустимом нижнем пределе влагозапасов в слое Δh (приложение 4).

Запас влаги в почве на начало первой декады вегетационного периода принимают равным фактически наблюдаемому при посеве культуры (по году-аналогу). При отсутствии многолетних наблюдений его условно принимают равным влагозапасу при наименьшей влагоемкости, т.е. W_н = W_{нв ,} м³/га. Запас влаги на конец расчетной декады определяют по формуле

W_к  = W_н  + P + V_г  +∆W – Е, м³ /га.

Чтобы определить прием регулирования влажности почвы в данный расчетный период (сброс или увлажнение), необходимо W_к сравнить с W_нв  и W_нп  за этот же период. При сравнении могут быть три случая:

1. W_нв  > W_к  > W_нп – влагозапасы в почве находятся в оптимальных пределах. В этом случае влагозапасы на начало следующей декады определяют по формуле

,

где  – влагозапасы в расчетном слое почвы в конце предыдущей декады.

2.  – влагозапасы на конец декады больше наименьшей влагоемкости. В почве имеется избыток воды, который следует удалить и он определяется по формуле

, м³ /га

Влагозапасы на начало следующей декады определяются по формуле

,

3.  – влагозапасы на конец декады меньше нижнего оптимального предела. В почве содержится недостаточное количество влаги для нормального развития сельскохозяйственных культур. Недостаток влагозапасов до оптимального предела определяется по формуле

Максимальная норма увлажнения составит

Восполнение недостатка влагозапасов в почве осуществляется путем орошения дождеванием.

При орошении дождеванием для предупреждения поверхностного стока рекомендуется норму увлажнения принимать не более предельной нормы полива, приведенной в табл. 9.

Таблица 9. Предельные поливные нормы (нетто) для условий Беларуси, м³ /га

Норму увлажнения (m_пр) принимают такую, которая обеспечит влагозапасы, близкие к среднему или верхнему оптимальному пределу (W_нв). Тогда влагозапасы на начало следующей декады

где   – принятая норма увлажнения, м³ /га;

Используя ведомость водного режима (табл. 10), составляют ведомость сроков, норм увлажнения и сброса избыточных вод из расчетного слоя почвы (табл. 11).

В начале расчетов необходимо расположить сельскохозяйственные культуры на мелиоративном объекте, пронумеровать поля и определить их площади. При этом надо следить, чтобы на участок, обслуживаемый осушительной сетью одного дренажного коллектора или от-

крытого собирателя (при осушении открытой сетью каналов), не расположить две и более культуры. Границы между полями сельскохозяйственных культур можно проводить по трассам более крупных

Таблица 10. –Ведомость водного режима при увлажнении почвы дождеванием для свеклы на среднесуглинистых почвах

проводящих каналов и между торцами осушителей, отводящих воду в разные стороны рельефа.

В табл. 11 проводят расчеты только по тем месяцам и декадам, в которые (табл. 10) возникла необходимость увлажнения почвы или отвода избыточных вод.

С учетом конфигурации полей севооборота и высоты сельскохозяйственных культур следует подобрать соответствующую дождевальную технику. Техническая характеристика дождевальных машин приведена в справочной, учебной литературе и приложении 12.

Систему дождевания, включающую насосную станцию, напорные трубопроводы, смотровые и водоспускные колодцы, расположение гидрантов и схему работы дождевальной техники, необходимо запроектировать на плане объекта. Элементы системы дождевания нумеруют и необходимые номера используют при заполнении табл. 8.

Время увлажнения поля одной дождевальной машиной определяется по формуле

где  – площадь поля, га;

 – расход воды поливной машиной, м³ /с (приложение 12);

 – число часов работы поливного агрегата за сутки;

 – коэффициент использования рабочего времени машиной за сутки (см. приложение 12).

 – поливная норма с учетом потерь в процессе дождевания (1,1 ), м³ /га

При определении  используют метод подбора числа часов работы поливного агрегата за сутки (n). Первоначально можно принять n = 8 ч (одна смена). Если получится Т_у > 10 сут (декада), то “n” увеличивают. В случае, когда при n = 24 ч получится Т_у > 10 сут, следует принять 2 дождевальные машины, так как одна не может обслуживать площадь, выделенную под сельскохозяйственную культуру. Тогда в формулу вводят значение 2Q_м и снова подбирают продолжительность работы машин в сутки, начиная с одной смены (n = 8 ч). Расчеты продолжают до получения Т_у £ 10 сут.

Таблица 11. – Сроки, нормы увлажнения и сброса избыточных вод

Если при определении времени сброса избыточной воды получится Т_с > 10 сут, то в дополнение к осушительной сети проектируют мероприятия, ускоряющие отвод поверхностных и грунтовых вод.

Расход воды на увлажнение дождеванием определяется по формуле

Время сброса избыточной воды

где,  – норма сброса, м³ /га

q_с – модуль дренажного стока, л/с с 1 га (для глины, суглинков тяжелых и средних модуль дренажного стока составляет 0,4...0,5; суглинков легких и супесей – 0,6; песков и торфа – 0,7...0,8 л/с/га).

Расход на сброс определяется по формуле

На основании ведомости сроков, норм увлажнения и сброса избыточных вод составляют оперативный план регулирования водного режима почвы (табл. 12). В таблице для каждой декады существует запись в виде дроби, в которой перед чертой ставится норма увлажнения или сброса, в числителе – сроки, а в знаменателе – расходы.

Пример записи в таблице 12.

300 – поливная норма брутто, м³/га;

12…20 – период проведения полива, сут;

51 – расход на увлажнение, л/с.

Таблица 12. Оперативный план регулирования водного режима почвы

Продолжение табл. 12

V			VI			VII			VIII
1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
				-	-	-	-	-	-		-

Для составления оперативного плана используется схема осушительно-увлажнительной сети и размещения культур на полях севооборота.

При проведении хозяйственных планов регулирования водного режима почвы осуществляют их корректировку, т. е. изменения. Корректировка вызывается погодными условиями, изменениями состава культур и сроков их весеннего сева. Поливы приурочивают к периодам (фазам) максимальной потребности растений в воде. Откорректированный план регулирования водного режима почвы передают в эксплуатационное управление для учета и составления системного плана водораспределения.