6.4М одель продуктивности растений
При поиске оптимальных режимов поливов необходимо знать реакцию растений на изменение влажности почвы в корнеобитаемом слое. Известно, что требования растений к влажности почвы изменяются в течение вегетации. Довольно обоснованной и простой является модель накопления продуктивности, предложенная В.В.Шабановым:
Где: U-продуктивность(урожайность) при данном варианте режима полива и соответствующей ему динамики влажности почвы в корнеобитаемом слое почвы;
Uо- то же при оптимальной для растения влажности;
nj- вклад j-ой декады в формирование продуктивности, зависящий от фазы развития растения;
n- количество декад в вегетационном периоде;
кj – коэффициент, определяющий снижение продуктивности из-за отклонения влажности от оптимальной в j-ую декаду:
г де:
j-средняя за j-ую декаду влажность почвы в контролируемом слое почвы ;
optj- оптимальная за j-ую декаду влажность почвы в контролируемом слое почвы;
m-полная влагоёмкость;
ВЗ - влажность завядания;
j- коэффициент, учитывающий реакцию растений на отклонение влажности от оптимальной.
Урожайность конкретной культуры, даже при оптимальной влажности, зависит ещё от многих факторов, например, от степени засоления, осолонцевания или кислотности почвы, обеспеченности питательными веществами, от количества ФАР и т.д. Учесть эти факторы можно введением соответствующих коэффициентов в формулу В.В.Шабанова.
7Обоснование экологически безопасной технологии утилизации сточных вод
С помощью приведенных выше математических моделей оценим разные варианты режимов полива разбавленными СВ. Рассмотрим три варианта, из которых два предусматривают поливы и увязки с погодными условиями (полив по «гибкому» графику), но с разными поливными нормами: 45мм и 60мм, а третий – полив по «жесткому» графику, т.е. постоянными нормами и через равные интервалы времени, т.е. с одинаковыми оросительными нормами в разные годы.
Введя в программу исходные данные, осуществим моделирование поливов по каждому варианту. Т.к. грунтовые воды на участке ИПУ залегают глубоко, то азот в них начинает поступать спустя 7-10 лет после начала орошения, поэтому продлим срок моделирования до 40 лет, повторив дважды погодные условия 1968-1987 лет с тем, чтобы иметь установившуюся картину загрязнения. В качестве примера приведена распечатка файла результатов 40-летнего прогнозирования поливов по «жесткому» графику с поливными нормами равными 45мм. Основные результаты моделирования приведены в таблице 3.
В результирующем файле приводятся погодные условия для расчётных лет, затем почвенные и гидрогеологические характеристики, в том числе и по расчётным слоям. Далее выведены годовые значения статей водного баланса, из которых наибольший интерес для нас представляет величина оросительной нормы в [мм] и инфильтрационное питание грунтовых вод D в [мм]. Среднемноголетняя оросительная норма для данного случая составит 577 мм, а капиллярное подпитывание грунтовых вод 30. В разные годы оросительная норма изменяется от 298 до 1038 мм. Для гибкого графика при средней оросительной норме 577 мм число поливов за вегетацию колеблется от 4 до 20. Предварительно назначенный довольно низкий предел предполивной влажности (0,7ППВ), а также частые поливы малыми поливными нормами обеспечивают незначительные потери поливной воды на просачивание вглубь. Такой щадящий режим полива обеспечивает незначительное поступление азота в грунтовые воды. Аммонийный азот не достиг глубины 7 м, а нитратный азот стал поступать в грунтовые воды только через 10-12 лет после начала полива сточными водами. Это значит, что при среднегодовом внесении аммиачных удобрений 230 кг/га хорошо сработала совокупность геохимических барьеров, при этом растения потребили в среднем 58+176=234 кг/га. Содержание азота в инфильтрационных водах (преимущественно в нитратной форме) довольно значительное и в среднем составляет 4,36 мг/л. . Это обстоятельство требует проектирования дополнительного участка на пойме для окончательного перехвата азота и защиты вод от загрязнения.
В целом из-за проникновения азота кг/га в 7-метровой толще за последние 40 лет ценность долговременных прогнозов заключается в том, что с их помощью можно выявить сроки начала загрязнения подземных вод, которые значительно отодвигаются по отношению к срокам начала действия ИПУ. Это значит, что в первые годы начала работы ИПУ установить степень загрязнения не представляется возможным. Существенное накопление нитратов на большой глубине означает, что даже после прекращения поливов загрязнение подземных вод не прекращается. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не произойдёт вымыв нитратов, накопившихся в капиллярной кайме.
Основные этапы моделирования различных вариантов режима орошения на ИПУ и ситуация на пойме приведены в таблице 3, Поливы по гибкому графику привели к увеличению содержания азота в почвенной толще. Эта прибавка спровоцировала загрязнение грунтовых вод. Повышенная промываемость почвы в этих условиях ослабила действие геохимического барьера. Его эффективность снизилась на 10-15%. Эти расчёты подтверждают необходимость проведения частых поливов малыми поливными нормами.
Поливы по жёсткому графику назначались так, чтобы средние оросительные нормы совпадали между собой. Такие поливы привели к увеличению инфильтрационного питания в два раза и как следствие к увеличению загрязнения грунтовых вод.
В целом перехват азота при поливе по жёсткому графику уменьшился до 91-92%. Это говорит о том, что ухудшение экологической обстановки при поливе по жёсткому графику не столь значительно, поэтому этот вариант может быть предпочтительным, поскольку имеет существенное преимущество в организационном и финансовом плане. В данном случае нет необходимости устройства достаточно большого бассейна-накопителя, который также в экологическом смысле не является безупречным (из-за испарения и утечек).
Следовательно, этапом моделирования является оценка возможной ситуации на пойме, примыкающей к ИПУ. В расчётах оценивается эффективность перехвата загрязнённых подземных вод при организации капиллярного подпитывания на пойменном участке. Это позволяет повторно использовать азот, поступающий с ИПУ. Задачей моделирования на нижнем участке является подбор его ширины, достаточной для защиты реки от загрязнения. Расчёты показали, что участок шириной 600 м вполне справляется с поставленной задачей.
Таким образом оба участка работают как единый геохимический барьер, при этом в реку поступает не более 2-3% азота, содержащегося в сточных водах, Кроме этого организация на нижнем участке напорного подпитывания позволяет существенно экономить оросительную воду.
Таблица №3