R O C Z N IK I G L E B O Z N A W C Z E '!’. XI. .IV NR 3/4 W A R S Z A W A I W : 5:1 2 P IO T R H L W L L K L O K R E Ś L A N IE P A R A M E T R Ó W N A W O D N IE Ń K R O P L O W Y C H Z Z A S T O S O W A N IE M M E T O D Y S Y M U L A C Y J N E J K a te d ra M e lio ra c ji R o ln y c h i L e śn y c h S G G W w W a rs z a w ie W S T Ę P
Nawodnienia kroplowe powinny zapewniać uwilgotnienie gleby odpow ia dające aktualnym potrzebom roślin w przestrzeni dopasowanej do układu ich masy korzeniowej. Proces nawodnienia może zatem obejmować tylko część uprawianej powierzchni pola i odbywać się praktycznie z pominięciem retencji glebowej. Postulowany stan uwilgotnienia powinien być osiągany jednocześ nie przy jak najmniejszych przepływach wody poza strefę korzeniową. Pra w i d ł o w y d o b ó r p a r a m e t r ó w n a w o d n ie n ia je s t w ię c u w a r u n k o w a n y znajomością dynamiki uwilgotnienia zwilżanej gleby. Celem pracy jest zapre zentowanie możliwości stosowania metody symulacyjnej w ustalaniu param e trów technicznych nawodnień kroplowych na przykładzie systematycznej sieci emiterów liniowych.
P O D S T A W Y T E O R E T Y C Z N E
Do opisu przepływu wody w glebie przy nawodnieniach kroplowych naj częściej stosuje się liniową formę równania Richardsa (Philip 1968, Raats
1970, Warrick 1974, Lomen, Warrick 1974). Dla przypadku infiltracji stacjo narnej ze źródła punktowego równanie bilansu masy można przedstawić w postaci (Raats 1970):
в P. Hewelke
r dr dz
gdzie:
r,z — radialna i pionowa współrzędne układu,
w, V — radialna i pionowa składowe prędkości,
0 - wilgotność gleby odniesiona do jednostki objętości.
Składowe O w i Q v zgodnie z prawem Darcy’ego można zapisać jako:
0 u = - ^ ; 0ш = - ^ + К ( Ф ) (2)
U Г OZ
gdzie:
К -przew o dn ość hydrauliczna gleby, ф -potencjał przepływu macierzystego .
Stosując przekształcenie wzoru Kirchoffa (Philip 1968), który definiuje potencjał ф, oraz zależność Gardnera (1958), opisującą przewodność hydrau liczną gleby К , równanie (1) można sprowadzić do postaci liniowej w formie:
()~ф 1 Оф Д~ф Оф (3)
— + --- + — = а
—-д Г г dr az2 Oz gdzie:
а - wielkość stała, charakterystyczna dla danej gleby.
Dla linii nawadniającej z emiterami rozmieszczonymi blisko siebie nakła danie się stref zwilżonych następuje w krótkim czasie, a więc całkowicie nawodniona powierzchnia ma formę nieskończenie długiego pasa. Orientując
wzdłuż niego oś przepływ staje się od tej współrzędnej niezależny i zadanie
może być rozpatrywane jako płaskie w układzie współrzędnych x, z. W związku z powyższym równanie przepływu dla emitera liniowego może być zapisane w postaci (Raats 1970):
<ГФ д2ф a* (4)
— + --- = CL —“
П П 'i
-д х г д 2Г ( lz
Dla rozwiązań przypadków niestacjonarnych zachowanie liniowości rów
nania przepływu wymaga założenia, że jest wartością stalą. Przyjmując,
że:
d Q _ a _ d_K (5)
cl ф к d Q
liniowe równanie przepływu z uwzględnieniem członu źródłowego S może być zapisane w ogólnej postaci jako (Warrick 1974):
Parametry nawodnień kroplowych 7 W rozwiązaniach liniowych równań przepływu wielu autorów stosuje m e tody analityczne zaproponowane przez Carslawa i Jaegera (1959) do opisu przepływu ciepła w ciałach stałych. Szczegółowe rozwiązania dla przypadków stacjonarnych podają Philip (1968,1971) iR aats(1970, 1971) oraz dla niesta cjonarnych Warrick, Lomen (1976) i Lomen Warrick (1974).
Ustalenie technicznych parametrów nawodnień
Uwilgotnienie nawadnianej gleby jest kształtowane przez czynniki nieza leżne oraz przez parametry ustalane w trakcie projektowania, które można sklasyfikować następująco:
I. Czynniki niezależne: zespół cech środowiskowych reprezentowanych przez przewodność hydrauliczną gleby i ewapotranspirację.
II. Parametry ustalane w trakcie projektowania:
1) parametry techniczne: rodzaj emiterów, lokalizacja emiterów, ich w z a jem ny układ;
2) parametry technologiczne: natężenie wypływu z emitera, czas i sposób prowadzenia nawodnienia (ciągły i cykliczny).
Rys. 1. Typowe rozm ieszczenie emiterów i kontury zwilżonej gleby przy nawodnieniach kjoplowych: a - punkto wych, b-skupionych. c-liniow ych
Fig. 1. Typical placem ent of em iters and contours of wetted soil during drip irrigations: a -pointed, b -collected, line
P. H cwel к с
О doborze określonego sposobu dostarczania wody i rozwiązaniach technicznych decyduje głównie gatunek nawadnianej rośliny oraz warunki glebow e. Innymi istotnymi kryteriami są wymagania uprawowe i o rganiza cyjne. Najczęściej spotykane schematy układu emiterów w lokalizacji sieci na powierzchni terenu przedstawiono na rysunku 1 (Pierzgalski 1984). W układzie punktowym emitery zwilżają glebę niezależnie i sposób taki jest stosow any zazwyczaj w przypadku roślin, między którymi są znaczne odległości. Układ skupiony stosuje się dla zwilżenia większej bryły gleby w przypadkach roślin o rozbudowanym systemie korzeniowym. W układzie liniowym poszczególne linie nawadniające mogą pracować bez w z a jem n e go oddziaływania lub w układzie interakcyjnym. W pierwszym przypadku uzyskuje się nawodnienie pasa gleby, w drugim natomiast nawodniona zostaje cała powierzchnia pola między liniami. Sposoby te ma ją zastosow a nie do nawadniania upraw rzędowych przy niewielkiej odległości między roślinami.
W zależności od przyjętego wariantu techniczno-eksploatacyjnego, do określenia układu ciśnień ssących w glebie wokół emitera mogą być zastoso wane równania (3), (4) lub (6). Z uwagi na zazwyczaj skomplikowany chara kter ich rozwiązań oraz dobór parametrów nawodnienia metodą kolejnych przybliżeń, szczególnie wygodne w użyciu są opracowane w Katedrze Melio racji Rolnych i Leśnych SGGW programy symulacyjne MNK2 i MNK3 (Hewelke 1992). W programach tych wykorzystano wspomniane rozwiązania analityczne (Philip 1968, 1971, Warrick 1974, Warrick, Lomen 1976, Lomen, Warrick 1974).
Stosowanie programów MNK2 (zadania płaskie) i MNK3 (zadania trójwy miarowe) umożliwia symulację procesu zwilżania gleby przy różnych parame trach technicznych i eksploatacyjnych systemu. Pozwala to każdorazowo na analizę układu sil ssących gleby, a w efekcie na wybór wariantu najbardziej odpowiadającego założeniom. Analizę taką przedstawiono na przykładzie różnej rozstawy emiterów liniowych o natężeniu wypływu 300 cm J • cm ’1* doba _1, a zlokalizowanych na powierzchni terenu w układzie systemetycznym.
Badana gleba o uziarnieniu piasku gliniastego lekkiego pylastego (pglp) chara kteryzowała się następującymi parametrami przewodności hydraulicznej: K f - 7,0 cm • d"1, a = 0,022 cm"1, к = 58 cm • d"1. Założono, że przy ewapotranspiracji 3 mm • doba’1 zostanie nawodniona warstwa gleby miąższości 50 cm, a ciśnienie ssące nie przekroczy w niej wartości 200 hPa.
W pierwszej symulacji przyjęto rozstawę emiterów 160 cm oraz czasy nawodnienia 18 i 24 godzin. W przypadku 18 godzin nie osiągnięto dostatecz nego zwilżenia gleby między emiterami (rys. 2a), natomiast przy nawilżaniu przez 24 godziny uwilgotnienie by ło zgodne z postulowanym, jednak uzyskano je kosztem bezproduktywnego zwilżenia znacznej objętości gleby poniżej warstwy korzeniowej (rys. 2b). W związku z tym rozpatrzono wariant z rozstawą 100 cm, zakładając czasy nawodnienia 10 i 12 godzin. W przypadku czasu 12 godzin uzyskano w całej rozpatrywanej warstwie ciśnienie ssące znacznie mniejsze niż postulowana wartość graniczna odpowiadająca
wilgot-Parametry nawodnień kroplowych O a
b.
Rys. 2. Układ ciśnienia ssącego w glebie o uziarnieniu pglp przy rozstawie emiterów 160 cm i czasie nawodnienia: a -1 8 h, b -2 4 h
Fig. 2. Distribution of soil pressure head along distance between emiters of 160 cm at the times of: a -1 8 h, b -2 4 h after irrigation
ności optymalnej (rys. За). Akceptacja tego układu prowadziłaby do zbędnego i nadmiernego uwilgotnienia gleby, a w konsekwencji do nieoszczędnego gospodarowania wodą. Skrócenie czasu do 10 godzin pozwoliłoby zmniejszyć wielkość dawki bez przekraczania jednocześnie założonej wartości ciśnienia ssącego (rys. 3b). W trzecim wariancie w celu zmniejszenia nakładów inwes tycyjnych na rurociągi nawadniające podjęto próbę zastosowania rozstawy pośredniej, mianowicie 130 cm. Dla czasu nawodnienia 18 godzin (rys. 4a) uzyskano rezultat podobny, jak w przypadku rozstawy 100 cm i czasu 12 godzin. Natomiast przy nawadnianiu przez 14 godzin i 30 minut osiągnięty efekt jest w pełni do zaakceptowania, a zwiększona rozstawa może znacznie obniżyć koszty realizacji systemu w porównaniu z wariantem drugim (rys. 4b).
W celu ostatecznego wyboru rozstawy emiterów należy dokonać analizy zużycia wody do realizacji postulowanego stanu uwilgotnienia. W pierwszym wariancie dla czasu 48 godzin ilość podanej wody w przeliczeniu na 1 m długości emitera i 1 m szerokości nawadnianego pasa wyniosła 37,5 dm3. W drimim wariancie dla czasu nawodnienia 12 i 10 godzin podano dawki 15 i 12,3 dm . W
10 P. Hewelke
e d I » g ł o b f c ( c m )
Rys. 3. Układ ciśnienia w glebie pglp przy rozstawie emiterów 100 cm i czasie nawodnienia: a -1 2 h, b -1 0 h Fig. 3. Distribution of soil pressure head along distance between emiters of 100 cm at the times of: a - 1 2 h, b -
10 li alter irrigation
a.
Rys. 4 IJklad ciśnienia w glebie pglp przy rozstawie emiterów 130 cm i c/;isic nawodnienia: а- I S h, b -1 4 h 30* po nawodnieniu
Fig. 4. Distribution of soil pressure head along distance between emiters ol 130 cm at the times ol: a —16 h, b -1 4 h 30' after irrigation
Parametry nawodnień kroplowych 11 wariancie trzecim dawki te dla czasu 18 i 14,5 godzin wynosiły odpowiednio 17,3 i 13,8 d m 3. Ponieważ dawka nawodnieniowa przy rozstawie emiterów 100 cm jest tylko o ok. 10% mniejsza niż przy rozstawie 130 cm, przeto wydaje się, że w większości przypadków będzie przyjmowany wariant trzeci, jako zdecydo wanie oszczędniejszy pod względem materiałowym i eksploatacyjnym.
Badania sym ulacyjne stw arzają możliwość analizowania kilku p aram e trów oraz w zajem nych relacji między nimi, jak na przykład rozstawy e m i terów i natężenia wypływu. Istotną zaletą programów M NK2 i M NK3 jest krótki czas obliczeń, który w rozpatrywanym przykładzie nie przekraczał 8 minut dla pojedynczego procesu symulacji (IBM PC AT). Zbiór wynikowy oprócz wykresu układu ciśnień ssących gleby w trybie tekstowym zawiera stabelaryzowane wartości ciśnień ssących i potencjału przepływu macierzyste go w siatce kwadratów o podstawie zadawanej w zbiorze danych. Konstrukcja zbioru w ynikowego odpowiada wymogom programu graficznego Sufer (Tań ski 1991), co ułatwia interpretację wyników w postaci izolinii lub powierzchni ciśnień ssących.
W N I O S K I
1. Programy MNK2 i MNK3 pozwalają na szybkie ustalenie układu ciśnień ssących w glebie w określonych warunkach środowiskowych przy różnych rozwiązaniach technicznych i eksploatacyjnych nawodnień kroplowych. U m o żliwiają zatem symulację procesu nawodnienia i analizę przyjętych param e trów technicznych.
2. Metoda symulacyjna jest szczególnie przydatnym sposobem doboru parametrów nawodnienia. Pozwala ona na dobór wariantu techniczno-eksplo atacyjnego zapewniającego nie tylko postulowaną wilgotność gleby, ale rów nież rozwiązania najoszczędniejszego z punktu widzenia zużycia wody i materiałów na konstrukcję systemu.
L I T E R A T U R A
[ 1 ] C ars la w H .S ., J e a g e r J .C ., 1959: C o n d u c tio n o f h eal in so lid s . 2 n d ed . C a re n d o n P re ss , O x fo rd . [2] G a r d n e r W . R., 1958: S o m e s te a d y -s ta le so lu tio n o f th e u n sa tu ra lc d m o istu re H ow e q u a tio n w ith
a p p lic a tio n to e v a p o rlio n fro m a w a le r ta b le . Soil S ei. 8 5.
[3] H e w e lk e P ., 19 9 2 : P o d s ta w y re g u lo w a n ia u w ilg o tn ie n ia g le b y za p o m o c ą n a w o d n ie ń k ro p lo w y c h . R o c z n . C ilebozn. T . 3 4 , z. 3/4 : 5 -1 8 .
[4] H e w e lk e P ., 1992: R e g u lo w a n ie u w ilg o tn ie n ia g le b y za p o m o c ą n a w o d n ie ń k ro p lo w y c h . R o z p r. N a u k . i M o n o g r., W y d a w n ic tw o S G G W .
[5] L om en I). O ., W a rrick Л. W ., 1974: 'r im e -d e p e n d e n t lin e a riz e d in filtra tio n : II L in e s o u rc e s . S o il S e i. S o c . A m e r. P ro c . 3 8 .
[6] P h ilip J. R., 1968: S te a d y in filtra tio n fro m b u rie d p o in t so u rc e s a n d sp h e ric a l c a v itie s . W a te r R e so u r. R e s. 4 .
[7] P h ilip J. R., 1971: G e n e ra l th e o re m on s te a d y in filtra tio n fro m s u rfa c e so u rc e s , w ith a p p lic a tio n to p o in t a n d lin e so u rc e s . S oil S e i. S o c. A m e r. P ro c . 35.
12 P. Hewelke
f iz jo lo g ic z n y c h p o trz e b ro ślin . M a t. z K o n f. N a u k .T e c h n . S G G W “ P ro je k to w a n ie i e k s p lo a ta c ja s y s te m ó w n a w o d n ie ń k r o p lo w y c h ” .
[9] R a a t s 1 \ A . C ., 1970: S te a d y in filtra tio n fro m lin e s o u rc e s a n d fu rro w s. S o il. S e i. S o c . A m e r. P ro c . 3 5 .
[1 0 ] R a a t s P . A . C ., 1970: S te a d y in filtra tio n fro m p o in t s o u rc e s , c a v itie s a n d b a s in s. S o il S e i. S o c . A m e r. P ro c . 3 5 .
[1 1 ] T a ń sk i T ., 19 9 1 : S u rfe r. W y d . P U , W a rsz a w a .
[1 2 ] W a r r i c k A . W ., 1974: T im e - d e p e n d e n t lin e a riz e d in filtra tio n . I. P o in t s o u rc e s . S o il S e i. S o c . A m e r. J. 3 8 .
[1 3 ] W a r r i c k A . W . L o m e n D .O ., 1976: T im e -d e p e n d e n t lin e a riz e d in filtra tio n . III. S trip a n d d is c s o u rc e s . S o il S e i. S o c . A m e r. J. 4 0 .
P. M e w elk e
S I M U L A T I O N M E T H O D F O R D E S I G N I N G O F D R I P I R R I G A T I O N P A R A M E T E R S
D e p a rtm e n t o f L a n d a n d F o re st R e c la m a tio n W a rs a w A g ric u ltu ra l U n iv e rs ity
S U M M A R Y
S o m e as p e c t s o f soil m o istu re regulation by drip irrig atio n s y s te m s are p re s e n te d in this p a p e r. P e r f o r m e d in v e s tig a tio n s s h o w e d the applicability o f the nu m e r ic a l s i m u l a ti o n for ca lc u la ti o n o f the te chnical p a ra m e te r s o f the irrigat io n sy s te m s . T h is m e t h o d is m o s t a p p r o p r ia t e fr om the v i e w p o in t o f the re quire d soil m oisture, effic ient w a t e r su p p l y an d e c o n o m i c a l e fficien cy o f the m aterials used fo r co n stru c tio n o f the ir rigation s y s te m s .
D r P iotr U ew elke Praca wpłynęła w grudniu 1992 r.
Katedra M elioracji R olnych i Leśnych
Szkoła Główna Gospodarstwa W iejskiego w Warszawie 02-766 W arszawa, Now oursynowska 166
