Інформаційні системи та моделі планування водокористування в меліорації

Пам'ятайте, що на точність розрахункових методів сильно впливає мінливість коефіцієнтів культур. Сумарне випаровування вологи може серйозно змінюватися навіть за однакової температури повітря та тривалості дня, що вимагає регулярного коригування поливних норм.

Пряма пропорційність між запасами вологи в ґрунті та водоспоживанням рослин часто порушується. Використання спрощених комплексних методів, де випаровування приймається пропорційним вологозапасам упродовж усієї вегетації, суперечить фізіології рослин і веде до грубих помилок.

На різних етапах росту надлишок або дефіцит вологи по-різному впливає на приріст біомаси та інтенсивність випаровування. При малих запасах вологи в ґрунті водоспоживання культури закономірно знижується, а при оптимальних — розрахункові методи показують задовільні результати. Для підвищення точності необхідно оцінювати, як саме змінюється потреба культури у воді протягом сезону.

• Гранична помилка в розрахунках режиму зрошення — 30%
• Різниця випаровування та випаровуваності в різні роки — від 10% до 30%

Метод біологічних кривих: як врахувати фази розвитку та клімат

Використання біологічних кривих (або біологічних коефіцієнтів культур) вважається найбільш обґрунтованим методом нормування зрошення. Він пов'язує воєдино погодні умови, запаси вологи в ґрунті та особливості розвитку рослин. Побудову таких кривих за експериментальними даними виконують у два етапи.

1. Будують сімейство кривих залежності біологічних коефіцієнтів від вологості ґрунту окремо для кожної фази розвитку рослин.
2. На основі отриманих даних будують підсумкові криві, максимальні ординати яких відображають динаміку водоспоживання культури в процесі онтогенезу.

В ідеальних умовах такі криві мають бути універсальними для культури. Однак на практиці біологічні коефіцієнти стають зональними (біокліматичними) і змінюються залежно від часу та території. Наприклад, оцінка їхньої мінливості в посушливих умовах показує, що в сухі роки дефіцит вологості повітря зростає набагато швидше за сумарне випаровування. Прямолінійна залежність між ними порушується.

Головна складність розрахунків полягає в непередбачуваному поєднанні температур і дефіциту вологості повітря в різні роки, навіть в одну і ту саму фазу росту. Крім того, на точність впливає значна мінливість клімату за декадами та похибки польових вимірювань. З цієї причини будь-яка емпірична формула розрахунку зрошення залишається суто регіональною й ефективно працює тільки в тих природних умовах, для яких вона була розроблена.

Для підвищення стійкості коефіцієнтів варіації та точності розрахунку пропонується використовувати відносні показники, які відображають характер водоспоживання відповідно до:

• ритмів розвитку рослин;
• зміни кліматичних факторів у їхньому комплексному взаємодії.

Ш. Угрехелідзе запропоновано рівняння, що враховує зміну коефіцієнтів біологічної кривої з урахуванням біологічних особливостей сільськогосподарських культур, ґрунтових умов, вологості ґрунту та основних метеорологічних факторів.

Зміна біокліматичних коефіцієнтів за зонами та в часі вносить елемент невизначеності при виборі їхньої величини для розрахунку водоспоживання біокліматичним методом. Фактори, що визначають їхню величину:

• урожай сільськогосподарських культур;
• родючість ґрунту;
• рівень застосовуваної агротехніки;
• техніка поливу.

Дослідження Е.А. Струнникова підтверджують мінливість біокліматичних коефіцієнтів, що описується степеневою залежністю, зі зміною показника степеня від нуля до одиниці. Мінливість біокліматичних коефіцієнтів як просторова, так і часова, пояснюється низкою причин: створенням у середовищі рослин своєрідного фітоклімату, динамікою випаровування з ґрунту при різному його зволоженні, особливостями процесу випаровування в контрастних кліматичних зонах, різкими змінами погоди в одній і тій самій кліматичній зоні. З метою підвищення точності розрахунків для різних ґрунтово-кліматичних умов необхідно розрахувати сімейство регіональних кривих водоспоживання основних культур. Істотне значення має при цьому вивчення закономірностей мінливості біологічних коефіцієнтів у часі, оскільки погодні умови в окремих кліматичних зонах країни мають різкі коливання в часі та просторі.

На думку В.П. Остапчика, основною причиною просторової мінливості коефіцієнтів є недостовірність вихідних даних, просторова мінливість вологозапасів, опадів, вологообміну активного шару з підстильними шарами, ступінь сухості навколишньої території, неврахування сплесків випаровування після поливів, а також використання пропорційного зв'язку між випаровуванням і дефіцитом вологості повітря. Удосконалення методики може полягати у використанні коефіцієнтів, що враховують вплив на випаровування таких факторів, як швидкість вітру, вологість ґрунту, сплески випаровування, розміри зрошуваних полів.

В.Б. Местечкіним установлено, що біологічні коефіцієнти (Кб) підпорядковуються географічній зональності, спадаючи зі збільшенням посушливості клімату від 0,7 до 0,2. Використання фіксованих наборів біологічних коефіцієнтів для розрахунків водоспоживання в ґрунтово-кліматично неоднорідних регіонах призводить до помилок, що сягають 50%. Щоб уникнути таких помилок у регіонах, для яких відсутні експериментальні дані, слід користуватися при розрахунках просторовою інтерполяцією, методика якої розроблена залежно від сум дефіцитів вологості повітря.

М.Г. Голченко та В.І. Віхровим уточнено біокліматичну модель водоспоживання з урахуванням нелінійного зв'язку, а також швидкості вітру, збільшення евапорації, зміни урожайності за укосами багаторічних трав. При цьому відхилення розрахованих величин сумарного випаровування від виміряних не перевищували 12,4%.

Установлено, що величина біокліматичних коефіцієнтів, які відповідають дефіциту вологості повітря та випаровуванню з водної поверхні, зростає при переході від південних регіонів до північних. Відмінності в рівні вологості ґрунту призводять до різної величини біокліматичних коефіцієнтів навіть на ділянці з однаковими кліматичними умовами. Тому з метою збільшення точності розрахунків пропонується диференціювання коефіцієнтів за кліматичними зонами з урахуванням вологозабезпеченості посівів.

Біокліматичні коефіцієнти відображають вплив на водорозподіл двох факторів: біологічних ритмів розвитку та метеорологічних умов. Залежність біокліматичних коефіцієнтів від погодних умов установлюється за відхиленнями фактичних значень біокліматичних коефіцієнтів та середньодобових дефіцитів вологості повітря від середніх їх значень. Установлено, що біокліматичні коефіцієнти залежать від рівня урожайності.

С.А. Яковлєв запропонував перехідні коефіцієнти, що дозволяють отримувати величину водоспоживання в роки з різною вологозабезпеченістю за характеристиками зміни середніх багаторічних розрахункових норм водоспоживання. Ці величини являють собою відношення величин водоспоживання в заданий рік до величини водоспоживання в «середній» за забезпеченістю рік.

Модель біокліматичних коефіцієнтів для розрахунку експлуатаційних режимів зрошення в умовах Центрально-чорноземної зони запропонована А.Ю. Черемісіновим. В основі її — біокліматичний метод, уточнений при врахуванні мінливості біокліматичних коефіцієнтів залежно від мінливості метеорологічних умов. Для розрахунку використовується інформація про температуру та вологість повітря, вид і фазу розвитку сільськогосподарських культур, вологозабезпеченість посівів, середня відносна помилка розрахунків становить + 10,7.... + 14,2%.

У низці моделей для підвищення точності розрахунків враховується вплив вологозабезпеченості посівів на сумарне випаровування, причому ця залежність прийнята прямолінійною. Автори вважають, що відмінності в рівні вологості ґрунту справляють вплив на величину сумарного випаровування навіть при однакових кліматичних умовах. Тому уточнення методики розрахунку зводиться до оцінки впливу вологозабезпеченості посівів на біологічні коефіцієнти та сумарне випаровування.

А.І. Міхальцевичем та А.Є. Жуковим запропонована модель розрахунку сумарного випаровування, що дозволяє враховувати вплив вологозмісту ґрунту та фази розвитку сільськогосподарських рослин.

Методика розрахунку водоспоживання сільськогосподарських культур (автор Л.Г. Балаєв) дозволяє врахувати різні рівні урожайності та зволоження, а також нелінійність зв'язку між сумарним випаровуванням та кліматичними факторами. Крім того, вона дозволяє розрахувати сумарне випаровування для конкретних кліматичних, ґрунтово-гідрологічних умов регіону та біологічних особливостей сільськогосподарських культур.

Ю.Ф. Душаткіним підтверджено, що співвідношення між випаровуваністю з водної поверхні (Ew) та сумарним випаровуванням (ЕТ) із зрошуваного поля залежить від вологозапасів у ґрунті. Зв'язок між Ew та ЕТ прямолінійний до деякого критичного значення вологості ґрунту (WKp), вище якого він набуває криволінійного вигляду.

Аналогічні моделі розробляються за кордоном, де також приділяється велика увага питанням підвищення ефективності управління зрошенням.

В останні роки розроблено централізовану систему ISS, а також регіональні системи управління Irrigat, ISI, IMS, СIMIS, AGNET, VISP. Моделі передбачають отримання інформації про водно-фізичні властивості ґрунту зрошуваного поля, культуру, що вирощується, тип зрошувальної системи, гідрометеорологічні умови. Інформаційно-порадницькі системи для управління поливами дозволяють планувати поливи на зрошувальних системах з урахуванням особливостей структури сівозмін, конкретних ґрунтово-кліматичних та погодних умов. З використанням рівнянь Х.Б. Блейні-В.Д. Кріддла, Прістлі-Тейлора, Х.Л. Пенмана, Л. Тюрка розроблено системи, які дають можливість визначати потенційну евапотранспірацію, дефіцит ґрунтової вологи, оптимізувати режим зрошення сільськогосподарських культур на основі комплексної інформації про метеорологічні, ґрунтові та агрономічні умови.

Для перелічених моделей базова інформація включає в себе назву господарств, код культури, що вирощується, та ділянки, дати сівби, ККД поливної техніки, максимальні запаси доступної вологи в кореневмісному шарі ґрунту. Метеорологічна інформація містить дані про сонячну радіацію, температуру повітря та точки роси, швидкості вітру, дефіцит вологості повітря тощо, поточна інформація — дані про дату попереднього поливу, допустиме зниження запасів вологи в дану фазу вегетації культури, дату випадіння останнього дощу протягом розрахункового періоду, кількість вологи, що надійшла з опадами та поливом за період, що розглядається.

На думку авторів, одним із суттєвих недоліків розрахункових методів є відсутність кількісної інформації про вплив вологозабезпеченості посівів на сумарне випаровування.

У реальних умовах виробництва при високій вартості матеріально-технічних та енергетичних ресурсів, а також екологічно ощадних режимах зрошення, підтримувати вологість кореневмісного шару на оптимальному рівні не завжди видається доцільним і можливим. У зв'язку з цим однакові періоди розвитку рослин можуть у різні роки проходити за різної вологозабезпеченості. З метою збільшення точності розрахунку сумарного випаровування в таких випадках необхідно враховувати його депресію при недостатній вологозабезпеченості.

Таким чином, проведений аналіз і результати досліджень ФГБНУ ВНДІ «Радуга» дають можливість сформулювати концепцію, що стверджує: тільки розробка методів розрахунку, які використовують комплексну інформацію про метеорологічні, ґрунтові, гідрогеологічні умови, біологічні особливості сільськогосподарських культур, вологість ґрунту в поєднанні із застосуванням закономірностей статистичного аналізу і теорії ймовірностей для оцінки характеру мінливості гідрометеорологічних факторів, може слугувати практичною основою для раціональної організації управління поливами, що забезпечує високу ефективність та екологічну безпеку технологій зрошення.

Основні принципи вдосконалення методики планування зрошення полягають у таких положеннях.

Раціоналізація водоспоживання в сільському господарстві становить одну з найважливіших проблем, оскільки застосування необґрунтовано завищених зрошувальних норм призводить до порушення водного режиму і гідрохімічної рівноваги, додаткового живлення ґрунтових вод, їх підйому, вимивання з ґрунту мінеральних та органічних сполук і погіршення екологічної обстановки. Для забезпечення раціонального споживання зрошувальної води під час проведення поливів потрібне точне визначення ступеня вологозабезпеченості конкретного поля. Це дозволяє своєчасно призначати черговий полив, контролювати вологозапаси, витрачання води на утворення врожаю і не допускати непродуктивних втрат її на поверхневі та глибинні скиди.

2. Управління режимом поливів зводиться до визначення ґрунтових вологозапасів зрошуваної ділянки на початок і кінець розрахункового періоду. Якщо інструментальне визначення кількості опадів, метеорологічних показників цілком доступне, то інструментальне визначення вологості ґрунту не може забезпечити обсягу інформації, необхідного для масового коригування поливних режимів. Тому зміну вологозапасів визначають за рівнянням водного балансу з розрахунком сумарного випаровування на основі математичних моделей.

Головні вимоги, що висуваються до моделей, полягають у необхідності достатньо точного відображення змін режиму вологості посівів. Параметрами коригування мають бути дані, що піддаються методам статистичного аналізу, які можна отримати в масових спостереженнях воднобалансових і агрометеорологічних станцій, простота їх реалізації.

Будь-яка комп'ютерна програма для управління поливом працює ефективно тільки тоді, коли в неї закладені точні вихідні дані. Для побудови надійної математичної моделі важливо правильно вибрати параметри, які описують рух вологи в ґрунті. Потрібно знати, як змінюється водний режим посівів при коливаннях погоди, зміні поливних норм і схеми подачі води на конкретну ділянку.

Точність розрахунків впирається у два показники: сумарне випаровування і вологообмін у зоні аерації. При цьому зв'язок між нестачею вологи в ґрунті та зниженням випаровування нелінійний. Рослини в різні фази розвитку реагують на дефіцит води по-різному, і цю мінливість необхідно перевести в точні математичні залежності.

Традиційні польові досліди не дозволяють відокремити біологічні особливості культури від впливу погоди, оскільки метеоумови під час досліджень накладаються на фази розвитку рослин. Щоб вирішити цю проблему, необхідна вдосконалена методика польових експериментів. Вона повинна показати, як саме змінюються біокліматичні коефіцієнти при зміні погоди.

Що необхідно досліджувати для точного моделювання

Щоб математичні моделі давали агроному точні рекомендації для управління зрошенням, потрібні польові дослідження з наступним статистичним аналізом. Експерименти повинні вирішити такі завдання:

• Кількісно оцінити, як погода і водний режим ґрунту впливають на сумарне випаровування і урожайність культур.
• Отримати точні дані про інтенсивність вологообміну в зоні аерації та структуру водного балансу посівів за різних метеорологічних умов.
• Вивчити структуру теплоенергетичного балансу посівів, щоб точно оцінити вплив погоди в різні фази розвитку рослин на сумарне випаровування і формування врожаю.