Geum.ru

Министерство сельского хозяйства и продовольствия республики беларусь главное управление образования, науки и кадров

Вид материалаЛитература

Содержание


1. Общие положения и элементы
2. Виды и критерии оценки неблагоприятных водных явлений на почвах
Температура воздуха
Засушливые явления
Почвенная засуха
Неблагоприятные водные явления
3. Расчет водного баланса и вероятности
3.2. Алгоритм воднобалансовых расчетов
3.3. Расчет показателей неблагоприятных водных явлений
3.4. Результаты расчета
Ретроспективные расчеты водного баланса почв
Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

__________________________


ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

__________________________


УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

В. И. Вихров




РЕТРОСПЕКТИВНЫЕ РАСЧЕТЫ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОЧВ

И НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЭВМ


Ч а с т ь 1


Расчет элементов водного баланса и вероятности

наступления неблагоприятных водных явлений

в условиях естественного водного режима почв


Лекция для студентов специальности

1-74 05 01 – мелиорация и водное хозяйство





Горки 2006




УДК 631. 432. (075.8)

ББК 40.6

В 41

Одобрено методической комиссией мелиоративно-строительного факультета

10.07.2006 (протокол № 7) и научно-методическим советом 20.09.2006 (протокол № 1).


СОДЕРЖАНИЕ


1. Общие положения и элементы совершенствования расчетов водного баланса почв

на ПЭВМ по многолетним метеоданным ………………………………………………..….3

2. Виды и критерии оценки неблагоприятных водных явлений на почвах сельскохозяйственного использования ……………………………………………………..7

3. Расчет водного баланса и вероятности наступления неблагоприятных водных

явлений в условиях естественного водного режима почв (RETRO – 1)…………….......14

Литература ……………………………………………………………………………….…..27


Вихров В. И.

В 41 Ретроспективные расчеты водного баланса почв и неблагопри-

ятных водных явлений с применением ПЭВМ: Лекция. Ч а с т ь 1. Расчет элементов водного баланса и вероятности наступления неблагоприятных водных явлений в условиях естественного водного режима почв. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяй-ственная академия, 2006. 26 с.


Изложены общие положения, алгоритм и методика компьютерных расчетов водного баланса и показателей неблагоприятных водных явлений в условиях естественного водного режима почв.

Для студентов специальности 1-74 05 01 – мелиорация и водное хозяйство.

Таблиц 3. Рис. 11. Библиогр. 10.


Рецензенты: П. У. РАВОВОЙ, канд. с.-х. наук, профессор; Т.Д. ЛАГУН, канд. техн. наук, доцент.


УДК 631. 432. (075.8)

ББК 40.6


© Составление. В. И. Вихров, 2006

© Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия», 2006


1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСЧЕТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОЧВ НА ПЭВМ ПО МНОГОЛЕТНИМ МЕТЕОДАННЫМ


Расчеты водного баланса почв широко используются при проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем. На этапе проектирования в большинстве существующих методов воднобалансовые расчеты выполняются для так называемых типовых лет, характеризующихся различной обеспеченностью климатических показателей (осадков, температуры воздуха и т.п.)[1,2].

Вместе с тем, очевидно, что в этих случаях моделируется некий абстрактный (не существующий реально) сценарий водного режима почвы. При этом сезонный ход используемых в расчетах климатических показателей существенно сглажен и не отражает их динамику в реальные годы.

В связи с этим наиболее объективным и статистически обоснованным подходом является ретроспективный расчет водного баланса почвы за длительный ряд реальных лет и получение на этой основе обеспеченных (вероятностных) его элементов и параметров гидромелиоративного режима. Данный метод позволяет также выполнить оценку вероятности наступления неблагоприятных водных явлений (НВЯ). Однако корректное применение ретроспективного метода предполагает весьма большой объем вычислений и обусловливает необходимость использования ПЭВМ.

Рассмотренные ниже алгоритмы компьютерных расчетов водного баланса почв разработаны на кафедре сельхозмелиорации БГСХА [3]. Основу ретроспективного моделирования на ПЭВМ водного режима почв и вероятности НВЯ составляют подекадные воднобалансовые расчеты за вегетационный период каждого календарного года многолетнего ряда. Программное обеспечение предусматривает три варианта формирования водного режима почв [3,10]:

1 – естественные условия формирования (программа RETRO –1);

2 – условия оросительных мелиораций (программа RETRO –2).

3 – условия осушительно-увлажнительных мелиораций (программа RETRO –3).

Далее варианты расчетов конкретизируются по следующим условиям:

а) местоположение объекта (используется база многолетних метеоданных по одной из 30 опорных метеостанций Беларуси);

б) сельскохозяйственное использование объекта (сенокос, пастбище, капуста поздняя, свекла столовая, картофель, зерновые);

в) метод расчета водопотребления сельскохозяйственных культур

(один из трех приведенных ниже вариантов);

г) тип (минеральная, торфяная) и гранулометрический состав почвы (песок, супесь рыхлая, супесь связная, суглинок легкий, суглинок средний, суглинок тяжелый, глина);

д) положение уровня грунтовых вод (глубокое, близкое);

е) способ назначения нижней границы оптимального увлажнения в варианте 2 (постоянная, переменная).

Кроме того вариант расчета учитывает: различную мощность расчетного слоя почвы, ее наименьшую влагоемкость, период вегетации культуры, расчетный многолетний период (любой в пределах 1945 – 2004 гг.), коэффициенты влагообмена, стока и другие частные параметры.

С целью получения сопоставимых результатов и выводов о вероятности наступления неблагоприятных водных явлений в условиях вариантов 1, 2 и 3 методы расчетов основаны на единых общих принципах, алгоритмах и зависимостях.

В соответствии с этим в указанных вариантах использовалось общее исходное уравнение водного баланса в следующем упрощенном виде

Wik = Wiн + Рiф – Еiф + Viг , (1.1)


где Wiк, Wiн – влагозапасы расчетного слоя почвы на конец и начало i-й декады;

Рiф – фактические (исправленные) осадки, выпавшие в течение i-й декады;

Еiф – фактическое (исправленное) водопотребление сельскохозяйственной культуры за i-ю декаду;

Viг – подпитывание расчетного слоя почвы от уровня грунтовых вод.

Все составляющие уравнения (4.1) выражаются в мм слоя воды.

С целью повышения объективности и точности расчетов по уравнению (1.1) в программах выполнено совершенствование алгоритма расчетов, состоящее в следующем:

– адаптация методов расчета декадного водопотребления сельскохозяйственных культур путем замены календарной шкалы динамики биоклиматических коэффициентов на температурную ;

– использование коэффициента корректировки (уменьшения) водопотребления культур [4] в условиях неоптимальной увлажненности и его адаптация для декадных интервалов расчета способом итерации ;

– оценка переменной величины влагозапасов почвы на начало первой расчетной декады вегетационного периода;

– учет переменной нижней границы регулирования влагозапасов почвы при орошении с использованием нелинейной зависимости;

–учет границы почвенного стока выше наименьшей влагоемкости для тяжелых по гранулометрическому составу минеральных почв.

В алгоритме ретроспективных воднобалансовых расчетов в качестве отдельных вариантов используются три метода расчета водопотребления сельскохозяйственных культур:

– вариант 1 (метод БГСХА [1] )

Ei = Ki di ; (1.2)

; (1.3)

– вариант 2 (метод ИМиЛ [5] )

; (1.4)


– вариант 3 (метод ИМиЛ–2 [6] )

, (1.5)

где Ei – водопотребление культуры за расчетную декаду, мм;

Кi, К1, К2 – биоклиматические коэффициенты культур;

di – сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за расчетную декаду, мб;

Кср, dср – среднемноголетние значения биоклиматического коэффициента и суммы среднесуточных дефицитов влажности воздуха (мб) расчетной декады;

di – среднесуточный дефицит влажности воздуха расчетной декады, мб;

n – число суток в декаде.

Расчетные зависимости для Кср, dср, К1 и К2 имеют следующий общий вид

К = а0 + а1Т0 + а2Т02 + а3Т03 + а4Т04; (1.6)

Т0 = 0,001(t1 + t2 + …+ 0,5ti), (1.7)

где К – аппроксимируемый параметр;

а0, а1, а2, а3, а4 – эмпирические коэффициенты культуры;

Т0 – уменьшенная в 103 раз сумма среднесуточных темпера- тур воздуха, накопленная от начала вегетации к середине расчетной декады;

t1, ti – суммы среднесуточных температур воздуха 1-й и i-й

декад, С.

С целью использования формул (1.2)–(1.5)в условиях увлажненности почвы, отличных от ее оптимального уровня, в расчетах использована разработанная А.П. Лихацевичем [4] модель снижения интенсивности эвапотранспирации в зависимости от величины влагозапасов.

Указанное снижение учитывается путем введения в расчетные формулы следующего коэффициента корректировки

, (1.8)

где Wнв – влагозапасы почвы при наименьшей влагоемкости, мм;

Wнi – влагозапасы почвы на начало расчетного периода (в данном случае – декады), мм.

Следует отметить большую практическую значимость данной методики корректировки водопотребления [4], поскольку она позволяет использовать существующие достаточно обоснованные методы расчета водопотребления орошаемых культур в других условиях формирования водного режима почв.

Очевидно, что зависимость (1.8) при использовании Wнi дает наилучшие результаты для относительно коротких интервалов времени, когда среднее значение влагозапасов расчетного периода незначительно отличается от его начальных влагозапасов.

Как показывает анализ, при декадном интервале расчетов данное условие, как правило, не выполняется, поскольку конечные и, следовательно, средние за декаду влагозапасы могут существенно отличаться от начальных.

В связи с этим в алгоритме подекадных расчетов использован метод последовательных приближений (итерации) при вычислении коэффициента . После первоначального расчета по формуле (1.8) и последующих водобалансовых алгоритмов определяется первая оценка влагозапасов на конец декады Wкi. Далее на основе значений Wнi, Wкi и характера расчетной траектории влагозапасов в течение декады вычисляется их среднее значение за декаду Wср и подставляется в формулу (1.8) вместо Wнi для последующего расчета водопотребления и уточненной величины Wкi. Формула для вычисления значения Wср определяется в конкретном варианте расчета динамикой влагозапасов в течение декады.

Для повышения обоснованности водобалансовых расчетов в условиях переувлажнения суглинистых почв а алгоритме вычислений предложена методика учета переменной границы почвенного стока в зависимости от величины превышения влагозапасами уровня наименьшей влагоемкости.

В результате опытных исследований [4,6,8] установлено, что при значительном увлажнении тяжело- и среднесуглинистых почв осадками их влажность продолжительное время (10 суток и более) может превышать наименьшую влагоемкость на 5…10%. Очевидно также, что приводящая к переувлажнению почвы декадная сумма осадков с достаточно большой вероятностью выпадает во второй половине или ближе к концу декады.

Учет отмеченных закономерностей осуществляется при расчете декадной величины почвенного стока по следующей зависимости


С = Кс ( Wкi – Wнв), (1.9)

где С – величина расчетного стока, мм;

Кс – коэффициент стока (Кс  1).

Значения Кс рекомендуется принимать следующими [3]:

Кс = 1 – для песчаных, супесчаных и легкосуглинистых почв;

Кс = 0,95 – для среднесуглинистых почв;

Кс = 0,9 – для тяжелосуглинистых и глинистых почв.

Программы ретроспективных воднобалансовых расчетов предусматривают использование любых значений Кс при соответствующем их обосновании.


2. ВИДЫ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ НА ПОЧВАХ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ


Неблагоприятные водные явления на почвах сельскохозяйственного использования относятся к частным видам опасных (неблагоприятных) для сельского хозяйства явлений погоды. Анализ агрометеорологической и агроклиматической литературы [7,8,9], посвященной этому классу явлений, позволяет использовать в данном случае термины «опасные» и «неблагоприятные» как синонимы.

Большинством авторов опасные для сельского хозяйства явления погоды и климата рассматриваются как понятия биоклиматические, поскольку они оцениваются по реакции растений на погоду и характе-ризуются сопряженными агрометеорологическими и биологическими показателями.

Наряду с опасными явлениями (ОЯ), приводящими к существенным потерям урожая сельскохозяйственных культур, выделяются также особо опасные явления (ООЯ), которые вызывают повреждения и гибель растений (по некоторым оценкам не менее чем на одной трети посевной площади [8] ).

Для условий Республики Беларусь наиболее последовательный и полный анализ опасных и особо опасных явлений погоды приведен в двух специальных изданиях [8,9]. При этом в работе [9] взамен используемых ранее терминов и критериев ООЯ приняты новые критерии стихийных метеорологических явлений, отдельные из которых можно отнести к особо опасным водным явлениям, в том числе на почвах сельскохозяйственного назначения.

В целом стихийными гидрометеорологическими явлениями (СГЯ) называются метеорологические, агрометеорологические и гидрологические явления, которые по своей интенсивности, продолжительности, времени возникновения, площади распространения могут привести или привели к значительным потерям в экономике, создают угрозу здоровью и жизни людей. Они делятся на стихийные метеорологические и стихийные гидрологические явления.

Из общего перечня стихийных метеорологических явлений, приведенного в [9], применительно к теплому периоду года и водному режиму почв можно выделить следующие:

– сильная жара – повышение максимальной температуры воздуха до 35С и выше;

– сильный дождь – выпадение осадков в количестве 50 мм и более за 12 ч или меньший интервал времени;

– суховейные явления – сохранение в течение не менее трех дней высокой температуры воздуха (в дневные часы 25С и выше), низкой относительной влажности воздуха (в дневные часы не выше 30%) при усилении скорости ветра до 5 м/с и более;

– засушливые явления – отсутствие в течение 30 и более дней осадков, превышающих 5 мм в сутки, при высокой температуре воздуха (в дневные часы выше 25С) не менее чем в половине дней периода.

Анализ других СГЯ показывает, что, обладая высокой интенсивностью воздействия, они при этом являются достаточно редкими событиями и не могут в полной мере характеризовать общее отрицательное воздействие на урожай неблагоприятных явлений погоды. В этом отношении больший практический интерес представляет анализ опасных для сельского хозяйства явлений погоды, выполненный в работе [8]. С точки зрения влияния на водный режим почвы здесь можно выделить такие опасные явления, как высокая температура воздуха, бездождные периоды, засушливые явления, продолжительные дождливые периоды и обильные дожди.

Температура воздуха выше определенных (критических) для сельскохозяйственных культур значений отрицательно сказывается на их росте и развития. При температурах выше 23…25С у озимых сокращается период накопления сухого вещества, у яровых зерновых культур температуры 25…30С в период кущения вызывают снижение числа колосков. У картофеля клубнеобразование при температуре выше 25С задерживается, а выше 30С – прекращается. Повышение температуры до 25С вызывает торможение роста капусты, а при ее увеличении до 30С рост и формирование кочана прекращается.

Следует отметить, что неблагоприятный повышенный термический режим фитоценоза наблюдается, как правило, в сочетании с бездождными периодами, когда у растений отсутствует возможность регулировать фитоклимат соответствующими расходами тепла на эвапотранспирацию, снижая, таким образом, температуру.

В качестве средней критической температуры для Беларуси в работе [8] принята температура 25С. В среднем за год число дней с температурами выше критической составляет от 20…25 на севере до 35…45 на юге республики. При этом более 70% общего числа этих дней приходится на летние месяцы. В отдельные годы месячное число дней с высокой температурой может превышать среднее значение в два – три раза.

Неравномерный режим летних осадков обусловливает наличие опасных бездождных периодов. Бездождным считается такой период, когда в течение 10 дней подряд за сутки выпадало меньше 1 мм осадков. В последующие дни неэффективными считаются осадки менее 5 мм, если при делении их суточной суммы на предшествующее число бездождных дней (после первых 10) получалась величина менее 0,5 мм [6,8].

Характеристика максимальной непрерывной продолжительности бездождных периодов приведена в табл. 2.1.


Т а б л и ц а 2.1. Максимальная продолжительность бездождных периодов

различной обеспеченности, дни


Область
Обеспеченность, %

5
25
50
75
95

Брестская
38
28
22
18
14

Витебская
38
27
22
18
14

Гомельская
39
28
23
18
13

Гродненская
41
28
22
17
11

Минская
38
28
22
18
16

Могилевская
34
26
22
17
11


Кроме продолжительности бездождья существенны также календарное время их наступления и тип почвы. Наиболее опасны бездождные периоды в весенне-летние месяцы на легких автоморфных почвах.

Важным показателем погодных условий вегетационного периода служит также суммарная продолжительность бездождья (СПБ), которая определяется как сумма общего числа дней бездождных периодов. В целом с апреля по октябрь средняя СПБ в республике составляет около 50…65 дней [7]. В отдельные годы СПБ может превышать средние значения более чем в полтора раза. Как отмечалось выше бездождные периоды в большинстве случаев (80…85%) сопровождаются повышенными температурами воздуха, что приводит к засушливым явлениям.

При оценке влагообеспеченности территории находит применение также метод единичных засушливых периодов [6]. Единичным засушливым периодом (ЕЗП) при этом считается период продолжительностью 10…15 суток с осадками менее 5 мм в сутки и требующий проведения одного полива овощных культур и многолетних трав. Аналогичные периоды в 16…22 дня принимаются за два ЕЗП, в 23…28 дней – за три, и более 28 дней – за 4 ЕЗП.

Засушливые явления на землях сельскохозяйственного назначения обычно делят на атмосферную засуху (суховей) и непосредственно почвенную засуху (недостаток почвенной влаги). По интенсивности воздействия различают засухи средние, сильные и очень сильные, приводящие к снижению урожайности соответственно до 25, до 50 и более 50% от ее средней многолетней величины [8]. По сезонам года и фазам развития сельскохозяйственных культур выделяют весенние, летние и осенние засухи.

Наибольшее распространение при оценке атмосферной засухи находит такой комплексный показатель тепловлагообеспеченности территории как гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова, выражающий отношение суммы осадков за период с температурой воздуха выше 10С к сумме температур этого периода, уменьшенной в 10 раз. Возможно использование ГТК и для оценки влагообеспеченности отдельных месяцев вегетационного периода.

Для условий Беларуси период считается засушливым, если рассчитанный для него ГТК  0,7. Согласно [7] примерно в половине лет в любом пункте республики можно ожидать хотя бы один засушливый месяц с ГТК  0,7. Повторяемость засушливых явлений по областям республики приведена в табл. 2.2.

Наиболее подвержены атмосферной засухе южная и юго-восточная части республики [8].

Т а б л и ц а 2. 2. Повторяемость лет с засушливыми явлениями (ГТК  0,7)

в течение отдельных месяцев, %


Область
Месяцы

май
июнь
июль
август
сентябрь

Брестская
20
13
20
19
32

Витебская
19
17
15
13
11

Гомельская
22
22
23
25
21

Гродненская
17
11
22
18
20

Минская
18
12
18
17
19

Могилевская
24
19
11
20
18


Здесь в среднем один раз в 4…5 лет засушливым может быть любой из месяцев теплого периода, а один раз в 8…10 лет засушливыми бывают два месяца подряд. На остальной территории месяц бывает засушливым один раз в 5…10 лет, а двухмесячный период – один раз в 10…15 лет.

Почвенная засуха является наиболее объективным показателем недостаточной влагообеспеченности сельскохозяйственных культур. В работе [8] в качестве критерия почвенной засухи принято условие, что продуктивная влага пахотного слоя (0…20 см) составляет не более 10 мм в течение декады и большего периода времени. Для анализа использовались результаты наблюдений за влажностью почвы на одном-пяти контрольных участках каждого пункта за период от10 до 30 лет. Декада считалась засушливой, если хотя бы на одном из участков отмечались запасы продуктивной влаги 10 мм и менее.

Согласно [8] почвенная засуха для Беларуси (наличие хотя бы одной сухой декады за вегетационный период) – довольно частое явление. На севере республики один раз в два года, а на остальной территории 7…8 раз за 10 лет в каждом пункте бывает одна декада или больше с почвенной засухой. В отдельные годы неблагоприятные засушливые условия могут складываться на протяжении целого месяца и более.

Наряду с неблагоприятными погодными явлениями, обусловливающими недостаточную влагообеспеченность сельхозугодий, существенную опасность представляют обильные дожди и продолжительные дождливые периоды [7].

Данные явления ухудшают условия опыления культур, вызывают полегание зерновых, способствуют развитию болезней, снижают воздухообмен растений, затрудняют полевые работы.

Опасными (обильными) считаются дожди с полусуточной суммой осадков в пределах 15…49 мм (при сумме 50 мм и более их относят к стихийным явлениям). В течение вегетационного периода опасные дожди наблюдаются практически ежегодно. Они относительно равновероятны на всей территории республики. В среднем в течение сезона бывает около четырех случаев с рассматриваемыми осадками. Наиболее часто в пункте отмечается от одного до шести случаев обильных осадков, и лишь в одном году из 10 их число достигает 7…10.

Выпадающие осадки могут значительно превышать опасные критерии. В среднем в отдельном пункте северной части республики один раз в 20 лет можно ожидать осадки, превышающие 55…60 мм, а в южной части – 65…70 мм за полусуточный или меньший период.

Важной характеристикой обильных осадков является их интенсивность. Средняя интенсивность опасных дождей составляет: в мае – 0,10 мм/мин; в июне – июле – 0,13 мм/мин; в сентябре – 0,08 мм/мин. Максимальные значения средней интенсивности опасных дождей могут превышать 1 мм/мин.

В качестве опасного продолжительного дождливого периода в работе [8] принят период не менее 10 дней, когда осадки выпадали ежедневно или с перерывами в один день и составили в сумме 20 мм и более. При этом осадки 1 мм в сутки в расчет не принимались. Установлено, что такие дождливые периоды наблюдаются в среднем в каждом пункте республики один раз в два года. Несколько чаще (6…7 раз в 10 лет) они отмечаются в Витебской области и на Новогрудской возвышенности. По месяцам вегетационного периода наибольшая вероятность продолжительных дождливых периодов наблюдается в июле (1 раз в 15…20 лет). Примерно 90% случаев опасные дождливые периоды продолжаются не более 15 дней. Среднее количество осадков одного продолжительного дождливого периода изменяется по территории республики в пределах 55…80 мм.

Приведенные выше характеристики опасных погодных явлений показывают общее возрастание засушливости территории Беларуси в юго-восточном направлении и увеличение неблагоприятных дождливых периодов в северной ее части и на возвышенностях.

Обобщение литературных источников, содержащих исследование опасных для сельского хозяйства явлений погоды, позволило автору сформулировать понятие неблагоприятных водных явлений, дать их общую систематизацию и предложить более совершенные методы оценки вероятности их наступления [10].

Неблагоприятные водные явления на почвах сельскохозяйственного использования можно определить как временные нарушения требуемых для растений водного режима почвы и гидротермических условий приземного слоя воздуха под воздействием агрометеорологических и гидрологических факторов, приводящие к существенным потерям урожая.

Выделяются следующие виды неблагоприятных водных явлений.

1. По направленности нарушения требуемого водного режима:

а) засушливые периоды, характеризующиеся дефицитом атмосферной и почвенной влаги;

б) периоды переувлажнения, определяющие избыточное увлажнение почвы, ее поверхности и воздуха.

2. По факторам оценки водного режима почвы:

а) косвенные, представляющие основные влияющие на водный режим факторы (бездождные периоды, высокая температура воздуха и т.п.);

б) прямые, дающие непосредственную количественную оценку вод-ного режима (почвенная засуха, избыточная влажность почвы).

3. По степени отклонения от допустимых значений или интенсивности воздействия:

а) опасные (неблагоприятные) водные явления;

б) особо опасные (стихийные) водные явления.

4. По продолжительности воздействия:

а) непродолжительные – до 10 суток;

б) средней продолжительности – от 10 до 30 суток;

в) продолжительные – более 30 суток.

5. По составу показателей:

а) частные (однофакторные);

б) комплексные (двух- и многофакторные).

6. По методу установления:

а) фактически зарегистрированные (измеренные);

б) расчетные.

7. По способу статистической оценки:

а) календарно датированные;

б) обеспеченные (определенной вероятности наступления);

в) прогнозные.


3. РАСЧЕТ ВОДНОГО БАЛАНСА И ВЕРОЯТНОСТИ

НАСТУПЛЕНИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОДНОГО РЕЖИМА ПОЧВ (RETRO – 1)


3.1. Состав исходных данных


Для выполнения компьютерных расчетов по программе RETRO – 1 используются (вводятся) следующие исходные параметры:

1 – наименование опорной метеостанции (используется база многолетних метеорологических параметров);

2 – наименование сельскохозяйственной культуры;

3 – метод расчета водопотребления культуры;

4 – гранулометрический состав почвы;

5 – коэффициенты стока Кmax, Кс;

6 – расчетный многолетний период (в пределах 1945…2004 гг.);

7 – период вегетации (номер первой и последней расчетной декады в пределах 01.04 – 30.09);

8 – влажность почвы при наименьшей влагоемкости нв, % от объема;

9 – расчетный слой почвы h, м;

10 – коэффициент испарения с поверхности поля Кd;

11 – критическая влажность почвы кр (в долях от наименьшей влагоемкости);

12 – коэффициент влагообмена Кв;

13 – уровень грунтовых вод Нi, м.


3.2. Алгоритм воднобалансовых расчетов


1. Определяются влагозапасы почвы на начало первой расчетной декады:

Wн1 = Wнв +  (Кп Рпр) – Кd dпр + Vг, (3.1)

где Wнв – влагозапасы при наименьшей влагоемкости (на начало 1-й декады апреля), мм;

Кп – поправочный коэффициент к осадкам;

Кd – коэффициент испарения с поверхности поля до начала вегетационного периода;

Рпр – сумма осадков за период с 01.04. до 1-й расчетной декады, мм;

dпр – сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха за аналогичный период, мм.

Остальные обозначения прежние.

Влагозапасы почвы при наименьшей влагоемкости рассчитываются по формуле

Wнв = 10 h нв, (3.2)

где h – расчетный слой почвы, м;

нв – объемная влажность при наименьшей влагоемкости, %.

Коэффициент Кd принимается равным 0,2 и 0,25 соответственно для пашни и лугопастбищных угодий [3].

Величина Vг определяется с учетом максимального подпитывания (Vmax, мм) и аккумулирующей емкости расчетного слоя (WАК, мм), рассчитываемых для предвегетационного периода по формулам

(3.3.)

(3.4)

где Нi – уровень грунтовых вод рассматриваемого периода относительно середины расчетного слоя почвы h, м;

Н0 – уровень грунтовых вод, при котором подпитка расчетного слоя прекращается (соответствует максимальной высоте капиллярного поднятия), м.

Значение Vг принимается следующим образом:

Vг = (3.5)

Используемые в расчетах параметры нв и Н0 даны в табл.3.1.


Т а б л и ц а 3.1. Значения наименьшей влагоемкости (, %) и критической

глубины залегания уровня грунтовых вод (Н0, м) для минеральных почв


Гранулометрический

состав почвы
нв, %

от объема
Н0, м

Песок
14
0,6

Супесь рыхлая
20
0,8

Супесь связная
26
1,0

Суглинок легкий
32
1,3

Суглинок средний
38
1,8

Суглинок тяжелый
46
2,4

Глина
50
3,0


В случае необходимости в расчет могут вводиться любые другие значения нв

При расчете Wн1 по формуле (3.1) принимается ограничение:

Wн1  Wнв.

2. Расчет влагозапасов на конец i-й декады вегетационного периода выполняется по уравнению

Wкi = Wнi + КпРi – КвЕi + Vгi, (3.6)

где Рi – измеренные осадки за i-ю декаду, мм;

Еi – водопотребление культуры, рассчитанное по одной из формул (1.2)–(1.5) за i-ю декаду, мм;

Кв – коэффициент влагообмена;

 – коэффициент корректировки, рассчитанный по формуле (1.8);

Vгi – подпитывание от уровня грунтовых вод за i-ю декаду, мм.

Остальные обозначения прежние.

Максимальное подпитывание (Vi max, мм) и аккумулирующая емкость (WАК, мм) для i-й декады определяется по формулам

(3.7)

(3.8)

Значение Vг принимается согласно (3.5).

3. После расчета Wкi осуществляется переход к влагозапасам на начало следующей декады Wнi+1:

а) если Wкi > Wнв, то Wнi+1 = Wкi – Сi,

где Сi – почвенный сток, рассчитываемый по формуле (1.9);

б) если Wкi  Wнв, то Wнi+1 = Wкi.

4. После определения Wнi+1 выполняется уточнение коэффициента корректировки :

(3.9)

где Wiср – среднее значение влагозапасов i-й декады, мм.


Wiср = 0,5 (Wiн + Wнi+1). (3.10)

С учетом уточненного значения 2 повторяются расчеты Wiк + Wнi+1 согласно пунктам 2 и 3.


3.3. Расчет показателей неблагоприятных водных явлений


3.3.1. Расчет вероятности времени снижения влагозапасов почвы до уровней (0,8…0,1) Wнв .

Определяются даты первого снижения влагозапасов расчетного слоя почвы до уровней 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 от величины наименьшей влагоемкости Wнв.

(3.11)

где Д08 – порядковый номер дня i-й декады, округленный до целого числа в большую сторону и соответствующий снижению влагозапасов до уровня 0,8 Wнв;

ng – число суток в декаде.

В случае, если Wнi < 0,8 Wнв принимается Д08 = 1.

Аналогичным образом рассчитываются даты первого снижения влагозапасов до указанных уровней (0,7…0,1) Wнв.

Далее определяется время (в сутках) от начала первой расчетной декады до рассчитанных дат первого снижения влагозапасов до указанных уровней (Т08, Т07,…Т01). Для каждого отдельного уровня снижения строятся многолетние ряды величин Т08, Т07,…Т01 и их кривые вероятности (рис. 3.1).

3.3.2. Расчет вероятности наступления, общей продолжительности, непрерывности и степени почвенной засухи.

Определяется критический уровень влагозапасов (Wкр, мм), ниже которого наблюдается почвенная засуха:


Wкр = кр  Wнв, (3.12)


где кр – критическая влажность почвы в долях от наименьшей влагоемкости (исходные данные).

В расчетах принимаются следующие значения кр (соответственно для супесчаных и суглинистых почв): сенокос – 0,65 и 0,70; пастбище – 0,63 и 0,68; капуста поздняя – 0,67 и 0,72; свекла столовая – 0,63 и 0,68; картофель – 0,60 и 0,65; зерновые – 0,57 и 0,62 [3].

Рассчитываются даты перехода (пересечения вниз и вверх) влагозапасами почвы границы Wкр:


а) при (снижение влагозапасов)

(3.13)

б) при (повышение влагозапасов)

(3.14)


в) при – перехода границы Wкр и его даты нет.


Находится дата первого снижения влагозапасов ниже Wкр на период более 10 суток, принимаемая за начало почвенной засухи.

Определяется время наступления засухи (от начала вегетации) в каждом календарном году (Тнз, сут) и строится его кривая вероятности (рис. 3.2).

Определяется время засухи (tiз, сут) в i-й декаде:

– при снижении влагозапасов (случай «а»)

tiз = ng – Дсн; (3.15)

– при повышении влагозапасов (случай «б»)

tiз = Дпов; (3.16)

– при нахождении влагозапасов ниже Wкр (случай «в»)


tiз = ng. (6.17)


По каждому календарному году рассчитывается общая продолжительность засухи (Тзас, сут) вегетационного периода


Тзас =  tiз (3.18)


и строится кривая обеспеченности (рис. 3.3).

Для определения непрерывности засухи (Тнп, сут) выбирается наибольшее за сезон непрерывное время засухи, по многолетним значениям которого строится кривая обеспеченности (рис. 3.3).

Степень засухи, соответствующая максимальной сработке влагозапасов в течение вегетационного периода (Wmax, мм), рассчитывается по формуле

Wmax = Wкр – Wmin, (3.19)


где Wmin – минимальное значение в течение вегетационного периода значение влагозапасов, мм.

Для многолетнего ряда величин Wmax, принимающих как положительные, так и отрицательные значения, строится кривая обеспеченности (рис. 3.4).

3.3.3. Расчет вероятности засушливых декад, общей и относительной засушливости вегетационного периода.

Для учета совместного воздействия продолжительности и степени почвенной засухи рассчитываются показатели засушливости, определяемые как произведение времени засухи и среднего за это время снижения влагозапасов относительно Wкр и проходящей ниже ее траекторией влагозапасов.

В соответствии с этим засушливость i-й декады (3Дi, ммсут) рассчитывается по формулам:

– при снижении влагозапасов (случай «а»):


3Дi = 0,5tiз (Wкр – Wкi); (3.20)

Рис. 3.1. Кривые ввроятности времени снижения влагозапасов почвы:

1 – Т08; 2 – Т07; 3 – Т06; 4 – Т05; 5 – Т04.




Рис..3.2. Кривая вероятности времени наступления почвенной засухи.

Рис. 3.3. Кривые обеспеченности общей продолжительности (1)

и непрерывности (2) почвенной засухи.





Рис. 3.4. Кривая обеспеченности степени почвенной засухи.


– при повышении влагозапасов (случай «б»):

3Дi = 0,5tiз (Wкр – Wнi); (3.21)

– при нахождении влагозапасов ниже Wкр (случай «в»):


(3.22)

Для каждой декады вегетационного периода строятся многолетние ряды 3Дi и их кривые обеспеченности (рис. 3.5).

Общая засушливость вегетационного периода (3Дi, ммсут) или мощность почвенной засухи определяется как сумма его декадных величин 3Дi. Для многолетнего ряда значений 3Дi строится кривая обеспеченности (рис. 3.6).

Общая засушливость 3Д численно равна сумме суточных недостатков влаги относительно Wкр, накопленных за вегетационный период конкретной сельскохозяйственной культуры.

Относительная засушливость (ЗДо) рассчитывается из следующего соотношения:

(3.23)

где Wкр – сумма критических влагозапасов почвы за период засухи, ммсут.

Wкр = Wкр  Тзас. (3.24)

Для многолетнего ряда величин ЗДо строится кривая обеспеченности (рис. 3.7).

3.3.4. Расчет вероятности наступления периодов переувлажнения, общей и непрерывной продолжительности переувлажнения почвы и величин сезонного стока.

Периодом переувлажнения почвы считается интервал времени в сутках, когда влагозапасы почвы находятся выше значения наименьшей влагоемкости, т.е. величины (Кmax Wнв), где Кmax является коэффициентом допустимого (максимального) увлажнения почвы (Кmax 1).

Для определения вероятности наступления очередных (следующих друг за другом) периодов переувлажнения в течение вегетационнного периода рассчитываются даты Дпп превышения влагозапасами границы КmaxWнв:

г) если , то (3.25)





Рис. 3.5. Кривые обеспеченности засушливости декад:

1, 2, 3 – номера декад июня.





Рис. 3.6. Кривая обеспеченности общей засушливости

вегетационного периода.

д) если , то Дпп = 1; (3.26)

е) если Wкi  КmaxWнв, то переувлажнения почвы нет.

Далее определяется время в сутках от начала вегетации до рассчитанных дат наступления первого, второго и последующих периодов переувлажнения (Тп1, Тп2, …Тпn). Для каждого очередного Тп строится многолетний ряд значений и кривая вероятности (рис. 3.8).

Рассчитывается продолжительность переувлажнения i-й декады (tiпп, сут):

– для случая «г»: tiпп = ng – Дпп; (3.27)

– для случая «д»: tiпп = ng; (3.28)

– для случая «е»: tiпп = 0 . (3.29)

Для каждого календарного года определяется общая продолжительность переувлажнения почвы (Тпп, сут):

Тпп = tiпп. (3.30)

Непрерывная продолжительность переувлажнения (Тппнmax, сут) определяется по наибольшему непрерывному за сезон интервалу, когда влагозапасы превышают величину КmaxWнв. Для многолетних рядов значений Тпп и Тппm строятся их кривые обеспеченности (рис. 3.9).

Для оценки вероятности величины сезонного стока (Сс, мм) рассчитываются его значения за каждый календарный год

Сс =  Сi; (3.31)

где Сi – величина декадного стока, определяемая по формуле (1.9).

По многолетним значениям Сс строится их кривая обеспеченности (рис. 3.10).

Обеспеченность (Р) рассчитывается по формуле Н.Н.Чегодаева [10]

, (3.32)

где m – порядковый номер члена убывающего ряда;

n – число членов ряда.


3.4. Результаты расчета


Результаты расчета показателей неблагоприятных водных явлений по программе RETRO – 1 выдаются в виде отдельных таблиц и графиков. На рис. 3.1 – 3.11 приведены примеры указанных графиков, рассчитанные для варианта: метеостанция – Минск; почва – супесь рыхлая; УГВ = 0,8 м; культура – пастбище.

Программа выдает также график динамики влагозапасов почвы (рис.3.11) за любой год многолетнего расчетного ряда.




Рис. 3.7. Кривая обеспеченности относительной засушливости

вегетационного периода.





Рис. 3.8. Кривые вероятности наступления периодов переувлажнения

1 – ТП 1, 2 – ТП 2, 3 – ТП 3, 4 – ТП 4; 5 – ТП 5, 6 – ТП 6.




Рис. 3.9. Кривые обеспеченности общей (1) и непрерывной (2)

продолжительности переувлажнения.




Рис. 3.10. Кривая обеспеченности величин сезонного стока.



н о м е р а р а с ч е т н ы х д е к а д


Рис. 3.11. График динамики влагозапасов почвы за 2003 год. Метеостанция – Минск; почва – супесь рыхлая; культура – пастбище; УГВ = 0,8 м.


ЛИТЕРАТУРА


1. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / Г.И. Афанасик [и др.]; под общ. ред. А. П. Лихацевичва. Минск: Тэхналогiя, 2000. 436с.

2. РПИ – 82. Ч. II. Осушительные и осушительно-увлажнительные системы. Книга 3. Осушительно-увлажнительные системы. Минск: Белгипроводхоз, 1992. 164 с.

3. В и х р о в В. И. Методика оценки вероятности неблагоприятных водных явлений на минеральных почвах Беларуси / В.И. Вихров //Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2005. №1. С. 92 – 94.

4. Л и х а ц е в и ч А. П. Оценка факторов, формирующих неустойчивую влагообеспеченность сельскохозяйственных культур в гумидной зоне (на примере Беларуси,

Центрального и Волго-Вятского регионов Российской федерации) / А.П. Лихацевич, Е.А.Стельмах. Минск: ООО «Белпринт», 2002. 212 с.

5. М и х а л ь ц е в и ч А. И. Расчет испарения с орошаемых площадей / А.И. Михальцевич //Научные основы проектирования и строительства гидромелиоративных систем. Минск: БелНИИМиВХ, 1981. С. 34 – 41.

6. Справочник по орошению дождеванием / под ред. М.Г. Голченко и А.И. Михальцевича / cост. О.А. Шавлинский. Минск: Ураджай, 1993. – 248 с.

7. Климат Беларуси / под ред. В.Ф. Логинова. Минск: Ин-т геол. наук АН Беларуси , 1996. 234 с.

8. Г о л ь б е р г М. А. Опасные явления погоды и урожай / М.А. Гольберг, Г.В. Волобуева, А.А. Фалей. Минск: Ураджай, 1988. 120 с.

9. Стихийные гидрометеорологические явления на территории Беларуси: справочник / под ред. М.А. Гольберга. Минск: БелНИИ Центр Экология, 2002. 132 с.

10. Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 48 «Разработать методы оценки вероятности наступления неблагоприятных водных явлений на минеральных почвах сельскохозяйственного использования в условиях Беларуси». Горки, 2004. 111с. (на правах рукописи).


У ч е б н о е и з д а н и е


Владимир Иванович Вихров


РЕТРОСПЕКТИВНЫЕ РАСЧЕТЫ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОЧВ

И НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЭВМ


Ч а с т ь 1


Лекция


Редактор Т. П. Рябцева

Техн. редактор Н. К. Шапрунова

Корректор Е. А. Юрченко


ЛИ № 348 от 09.06.2004. Подписано в печать 15.12.2006.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага для множительных аппаратов.

Печать ризографическая. Гарнитура “Таймс”.

Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,54.

Тираж 100 экз. Заказ Цена 2570 руб.


Редакционно-издательский отдел БГСХА

213407, г. Горки Могилевской обл., ул. Студенческая, 2

Отпечатано в секторе учебно-методической литературы и ризографии БГСХА

г. Горки, ул. Мичурина, 5