УДК 631.674.5
А.Ф.Литвиненко (УкрНИИОС)

Одним из главнейших показателей, которые необходимо учитывать при оптимизации дождевальной техники, а также схемы расстановки дождевальных аппаратов, является поливная норма до стока, которую применительно к незащищенной (немульчированной) поверхности называют эрозионно допустимой, поскольку возникновение стока в этих условиях неизбежно приводит к плоскостной ирригационной эрозии почвы.
Для открытой (незащищенной) почвы эрозионно допустимые поливные нормы т (мм) определяются по экспериментальной формуле Н.С.Ерхова
m = P/S, (I)
где Р - показатель впитывания, мм; S - расчетная безразмер­ная комплексная энергетическая характеристика дождя.
Энергетическая характеристика дождя S вычисляется по экспо­ненциально-степенной формуле
S =(ρ/ρ1)В-1 ехр[(d/d1)], (2)
где ρ - интенсивность дождя в точке, мм/мин; d - крупность капель, мм; ρ1 = 1 мм/мин, d = 1 мм; В и q - пара­метры впитывания.
Любые применяемые в производственных условиях дождевальные на­садки и аппараты образуют искусственный дождь, неравномерный по площади полива как в отношении интенсивности ρ, так и крупности капель d , а следовательно, и своей энергетической характеристики
S . Поскольку показатель впитывания D для однородного участка можно принять практически постоянным, то при поливе в конкретных природно-хозяйственных условиях m будет зависеть от S. Оче­видно, что лужеобразование, последующие сток и ирригационная эрозия почвы возникнут сначала в тех зонах орошаемого участка, где S мак­симальная (Sтаx). B продолжение полива лужеобразование, сток и эрозия будут распространяться последовательно от зон с наиболь­шими Smax к зонам с меньшими S и площадь лужеобразования, сто­ка и эрозии будет увеличиваться.
Очевидна нецелесообразность прекращения полива сразу же в мо­мент начала лужеобразования в зоне с Smаx. Хотя в этом случае ирригационная эрозия будет практически полностью отсутствовать, од­нако поливная норма окажется сильно заниженной, в то время как на значительно преобладающей части площади полива (порядка 95 % и более) в зонах с меньшими S (S < Sтаx) потенциальная водопоглощающая способность почвы при дождевании будет реализована ещё далеко не полностью, и почва в этих зонах могла бы принять еще зна­чительную порцию поливной воды без стока и эрозии. В продолжение полива, с одной стороны, будут увеличиваться поливная норма и глубина промачивания почвы, а с другой, - нарастает площадь лужеобразования и стока, что ведет к снижению плодородия орошаемой почвы за счет её ирригационной эрозии, неравномерному промачиванию за счет недоувлажнения повышений и переувлажнения понижений микрорельефа. Полив целе­сообразно прекратить в такой момент, когда плоскостная ирригационная эрозия почвы не превышает некоторый допустимый минимум, а поливная норма будет по возможности больше. Поэтому в конкретных природно-хозяйственных условиях при поливе известной дождевальной насадкой и аппаратами можно принимать некоторую допустимую площадь лужеобразования, при которой нужно прекращать полив. Эту допустимую площадь (в % от площади полива) в дальнейшем можно обосновать специальными ис­следованиями, включающими изучение, с одной стороны, степени эрозии почвы, ухудшения структуры и неравномерности увлажнения её в зонах лужеобразования и стока, а с другой - влияния поливной нормы на уро­жайность орошаемых культур и другие технико-экономические показатели. Тогда т определится по формуле (1) для расчетной SF (F= 25 %, 50 % и т.д.).
В процессе долевых экспериментальных исследований, выполненных в 1982…84 гг. в крупном интенсивном саду совхоза «Первомайский» За­порожской области, проводили наблюдения за динамикой площади лужеобразования при поливе средне- и дальнеструйными аппаратами на участке с содержанием почвы по системе черного пара. Учитывая интенсивность и крупность капель дождя, а также интенсивность стока и степень разрушения структуры почвы в зонах лужеобразования, считаем возмож­ным принять в первом приближении следующие допустимые проценты пло­щади лужеобразования: для аппаратов «Фрегат» серии 1-75%, «Роса-3» 50 %, ДД-30 - 25 %.
Расчетную SF находили с помощью интегральной кривой распределения энергетической характеристики дождя аппарата по площади полива (2). Для условий тихой погоды (скорость ветра не более 1...2 м/с) площадь, орошаемую одиночным дождевальным аппаратом (без учета перекрытия), по форме принимали за круг. Внутри круга выделяли кольца одинаковой ширины, которую для среднеструйных ап­паратов принимали равной 2 м, а дальнеструйных - 4 м. Для каждого кольца устанавливали расчетную (среднеарифметическую) в точке ин­тенсивность дождя ρср и крупность капель dср на основании за­меров ρ и d по каждому дождемеру в опытах по установлению эрозионно допустимых поливных норм по методике микроплощадок ВНИИГиМ на участке яблоневого сада с рыхлой почвой. Для определения крупности капель дождя d на середине каждого кольца строили гра­фики распределения фактически замеренной крупности капель по ра­диусу полива. Несмотря на известный разброс опытных точек, оказа­лось возможным принять равномерное нарастание крупности капель d по радиусу полива R. Формулы, выражающие эту связь, имеют следующий вид:
для среднеструйного аппарата «Фрегат» серии 1
d = 0,225R + 0,5 (3)
при R < 15 м, при R>15 м d = 5,0 мм;
для среднеструйного аппарата «Роса-3"
d = 0,214· R + 0,5 (4)
при R ≤21м, при R>2I m d = 5,0 м;
для дальнеструйного аппарата ДД-30
d =0,15· R +0,5 (5)
при R ≤ 30 м, при > 30 м d = 5,0 мм.
Имея для середины каждого из колец расчетную интенсивность дож­дя и крупность капель d , вычисляли S по формуле (2) при параметрах впитывания В = 1,5 и q = 0,4 (найдены опытным пу­тем). По известной площади каждого кольца строили интегральные кри­вые распределения S по площади полива F, при этом распола­гали S в нарастающем порядке, а площадь выражали в % от общей площади полива для аппарата (рис.1).

Pиc.1. Интегральные кривые распределения энергетической характеристики дождя: - для одиночных дождевателей; с учетом перекрытия в усло­виях тихой погоды; 1 - ДД-30 по схеме 70x80 м; 2 - «Роса-3» по схеме 35x40 м; 3 - «Фрегат-1» - по схе­ме 15x16 м

подставляя в нее величины, находимые по формулам (6) и (7). Для условий тихой погоды все многообразие площадей наложения (пе­рекрытия) кругов и колец различных радиусов можно свести к двум случаям: одинакового радиуса R и разных R1 и R2.
Исходя из принципа сохранения методического единства, при опре­делении площади полива аппарата с учетом перекрытия половину перекрываемой площади следует относить к одному аппарату, а по­ловину - к другому. Тогда площадь перекрытия, относящаяся к одно­му аппарату из двух смежных, будет равна площади сегмента f . Его площадь при наложении кругов одинакового радиуса R определяется

Приведенные формулы целесообразно использовать при малом чис­ле пересечения колец. В противном случае их площади наложения лучше определять графическим способом. С этой целью на миллиметровой бумаге вычерчивают план колец перекрытия для принятой схе­мы расстановки дождевальных аппаратов. При этом очень важно пра­вильно определить расчетную площадь полива дождевального аппарата с учетом перекрытия. Легко показать (рис.2), что площадь выделенной трапеции ODEG составляет четверть площади пря­моугольника O1O3KG , то есть расчетная площадь полива аппарата с. учетом перекрытия Ω = А·В.
Для определения площадей перекрытия колец с различной расчет­ной структурой дождя ρ и d вычерчивается в масштабе план перекрытия таким образом, чтобы получить полную картину перекрытия на площади в пределах расчетной трапеции (рис.2). Площади наложе­ния в пределах трапеции вычисляются по формулам (8, 9, 12 и 13), или находятся графически путем планиметрирования соответствующих участков (рис.3)

Рис.2. Расчетная площадь полива с одной позиции с учетом перекрытия дождевального аппарата (заштрихована) на стационарной системе (для треугольной схемы расста­новки дождевателей): 1 - оросительный (поливной) тру­бопровод; 2 - дождеватель; А и В - расстояние между оросительными трубопроводами и дождевальными стояками на них; Р - радиус полива

Рис.3. К определению расчетных площадей перекрытия в преде­лах расчетной трапеции (выделено штриховкой) для дож­девального аппарата «Фрегат-1» при расстановке по схе­ме 15x16 м: ρ - расчетная в точке интенсивность дож­дя для кольца, мм/мин; d - расчетная крупность ка­пель, определяемая по формуле (3), мм

На рис.3 даны результаты расчета энергетической характеристики дождя с учетом перекрытия для тихой погоды. Заметим, что наибольший радиус полива аппарата ДД-30 в наших опытах составлял 42 м при расстоянии между аппаратами В = 80 м, поэтому перекрытия дождем смежных позиций практически не наблюдалось. В соответствии с принятым вы­ше допустимым процентом площади лужеобразования получаем с помощью интегральных кривых следующие расчетные энергетические характеристики дождя для аппаратов: «Фрегат» серии 1 S75% = 0,38, «Роса-3»
S50% = 48 мм и ДД-30 S25% = 3,03. Тогда для обыкновенного среднесуглинистого чернозема в рыхлом сухом состоянии при показателе впитывания Р=80 мм получаем соответствующие эрозионно допустимые поливные нормы применительно к аппаратам «Фрегат» серии 1 - 210 мм, «Роса-3» – 48 мм и ДД-30 - 26 мм.
Для условий ветреной погоды необходимы замеры ρ и d по фиксированной сетке по всей площади полива аппаратом. Зная эти показатели для каждого дождемера, можно построить интегральную кривую распределения энергетической характеристики дождя до площади полива, пользуясь указанным выше принципом.
Разработанный способ определения расчетной энергетической ха­рактеристики дождя можно применять как в научных исследованиях, так и в почвенно-мелиоративных изысканиях, при оптимизации дожде­вальной техники, а также схемы расстановки дождевальных аппара­тов на стационарных системах. Практическое использование предла­гаемого способа позволит существенно повысить объективность и достоверность получаемых данных при обосновании наиболее рацио­нального режима орошения и выбора соответствущих дождевальных аппаратов, что будет способствовать сохранению и повышению пло­дородия почв в районах существующих и проектируемых оросительных систем за счет уменьшения ирригационной эрозии, неравномерности увлажнения до площади и потерь оросительной воды на сток.

Список использованной литературы

1. Ерхов Н.С. Мероприятия по предупреждению ирригационной эро­зии почв при дождевании. - Гидротехника и мелиорация, 1981, № 6, с. 54...57.
2. Ерхов Н.С., Кантор О.В. Определение допустимой интенсивности искусственного дождя по данным почвенно-мелиоративных исследований. - Материалы третьего межведомственного совещания до вопросам прогнозирования гидрогеологических, инженерно-геологических и почвенно- мелиоративных условий. М., 1977, вып.3, с. 49...54.