Оценка точности аппроксимации положения изоплет локальных контуров увлажнения при капельном поливе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.674.6

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

Оценка точности аппроксимации положения изоплет локальных контуров увлажнения при капельном поливе

А.С. Штанько, Ю.Ю. Глущенко, О.В. Воронов

Аннотация

аппроксимация изоплет увлажнение почва

Целью исследования является количественная оценка имеющих место отклонений при аппроксимации локальных контуров капельного увлажнения почв. Фактические контуры капельного увлажнения (построенные по опытным данным) в разной степени ассиметричны. Получение описывающих их зависимостей не может быть осуществлено без аппроксимации фактически фиксируемых контурных линий по данным измерений уровней влажности почв во внутриконтурном и законтурном пространстве. При аппроксимации такие контуры приводят к симметричному относительно оси капельницы виду. В процессе исследования точность аппроксимации изоплет контура увлажнения определялась по результатам сопоставления значений радиусов контуров левой и правой части со средним их значением. При проведении аналитического исследования использовались материалы и данные, приведенные в известных публикациях. В результате исследований установлено, что отклонения граничных контурных линий и внутриконтурных изоплет от вертикальной оси симметрии изменяются в диапазоне от 0 до 15 и более процентов от среднего значения радиусов контуров и в некоторых случаях достигают 50 %. Имеющие место значительные отклонения в значениях левого и правого, по отношению к оси капания, радиусов не имеет объяснений в большей части рассмотренных работ, как не имеет объяснений и оценок высокая степень асимметричности фактических контуров увлажнения в других. Указанное обстоятельство и осреднение приведенных в статье результатов аналитического исследования позволяет рекомендовать для практического применения допустимую погрешность аппроксимации изоплет локальных контуров капельного увлажнения на уровне 12 %. Локальные контуры увлажнения, аппроксимированные с погрешностью 12 и менее процентов, могут рассматриваться как качественно идентичные, так и количественно подобные натурным (фактическим) локальным контурам капельного увлажнения почв.

Ключевые слова: капельное орошение, поливная норма, локальный контур увлажнения, изоплета, аппроксимация, допустимое отклонение.

Annotation

The aim of the study is the quantification of deviations that occur at local contours approximation of drip soil moistening. The actual contours of drip moistening (made by test data) are asymmetric to varying degrees. The derivation of the dependencies describing them can't be carried out without approximation of the actually recorded contour lines by data measuring soil moisture levels in the in-loop and contour spaces. By approximation, such contours bring to a symmetric mode about the trickler axis. In the course of investigation, the accuracy of the isopleths approximation of the moisture contour was determined by the results of comparing the values of the left and right parts contours radii with their mean value. In conducting the analytical study, materials and data given in well-known publications were used. As a result of the research it was found out that the deviations of the boundary contour lines and the in-loop isopleths from the vertical symmetry axis vary in the range from 0 to 15 and more percent of the mean value of the contours radii and in some cases reach 50 %. The significant deviations in the left and right radii values in relation to the dripping axis do not have explanations in most of the considered studies, so as the high degree of actual moisture contours asymmetry in others. This circumstance and averaging of the analytical study results presented in the article make it possible to recommend the tolerance of isopleths approximation of the local drip moistening contours at the level of 12 % for practical use. Local moisture contours, approximated with an error of 12 or less percent, can be considered both qualitatively and quantitatively identical to the actual (local) contours of soil drip irrigation.

Key words: drip irrigation, irrigation rate, local moisture contour, isopleth, approximation, acceptable deviation.

Одной из задач проектирования и эффективного использования систем и технологий капельного орошения является определение пространственного положения и размеров формирующихся в почвенном пространстве контуров увлажнения [1]. Ее решение сводится к фиксации и статистической аппроксимации фактического и последующему определению расчетного положения поверхности контуров при различных уровнях влажности почвы, а точнее, координат оконтуривающих их линий (изоплет). Под аппроксимацией локальных контуров капельного увлажнения понимается приведение их фактических форм (очертаний) к принятой (типовой, модельной) симметричной относительно оси капания форме.

Линии в продольных по глубине сечениях контуров увлажнения с одинаковым уровнем влажности (изоплеты), координаты которых получены по результатам натурных замеров и последующей аппроксимацией (в соответствии с расчетной моделью их формы), вычерчиваются в ортогональной координатной сетке, характеризуемой глубиной - , отсчитываемой от поверхности земли и радиусом контура - , определяемым отклонением граничной линии контура или изоплеты с определенным уровнем влажности от вертикали (обычно от линии капания). Пример сечения аппроксимированного локального контура капельного увлажнения вертикальной плоскостью приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема аппроксимированного вертикального профиля локального контура увлажнения, формируемого в почво-грунтовом пространстве, представленном почвами тяжелого гранулометрического состава при капельном поливе - уровень влажности изоплеты; - уровень влажности наименьшей влагоемкости

В реальных условиях граничные линии, очерчивающие положение контуров увлажнения и внутриконтурные линии влажности, в разной степени отличаются от положения их аппроксимированных изоплет. Накопленный опыт изучения локальных контуров капельного увлажнения почвы позволяет отметить нижеследующие особенности их формирования [2]:

- в изотропных (однородных) почвенных условиях формируются достаточно симметричные и формоподобные (сходные по форме) схемы контуров капельного увлажнения почвы по глубине и в плане внезависимости от величин уровней влажности очерчивающих их изоплет, размеров поливной нормы, времени замеров их очертаний в постполивной период. В этих условиях наблюдаемые отклонения координатных точек контуров от аппроксимирующего их положения носят локальный характер, а их количественные значения определяются степенью однородности почвенного субстрата и зависят от условий и качества проведения измерений и других случайных факторов;

- в разной мере на изотропных почвенных условиях и на уклонных участках каплевания формируются в различной степени асимметричные, а в ряде случаев трудно аппроксимируемые формы контуров увлажнения почвы;

- на характер формы (очертания) контуров увлажнения и положение внутриконтурных изоплет влияет наличие различных почвенных включений, характер взрыхленности почвенного покрова, локальные отличия в дополивной влажности определенных слоев и зон увлажненного почвенного пространства, наличие крото- и корнероин, полостей и других факторов.

При определении значений (объемов) поливных норм, обеспечивающих увлажнение определенной (заданной) глубины почвенного профиля, необходимо знание объемов контуров увлажнения, формируемых в почвенном пространстве при определенных условиях капельного полива. Для расчета объемных показателей контуров необходимо знание положения (очертания) ограничивающих их поверхностей или изоплет. Получение соответствующих описывающих их зависимостей не может быть осуществлено без аппроксимации фактически фиксируемых контурных линий по данным измерений уровней влажности почв во внутриконтурном и законтурном пространстве [3].

Отметим, что рядом специалистов («капельщиков») приняты и используются различные подходы к аппроксимации фактически (опытным путем) устанавливаемых координат совокупности точек в предконтурном и внутриконтурном почвенном пространстве. При этом очерчиваются разные по форме (соответствующие принятой схеме аппроксимации) очертания контуров с разным положением как оконтуривающих, так и внутриконтурных изоплет. Реализованные и реализуемые специалистами различные подходы к аппроксимации положения контурных изоплет осуществлялись и продолжают осуществляться без необходимой оценки точности камеральной обработки опытного материала и последующей аппроксимации форм контуров увлажнения. Между тем опыт измерений и последующих аппроксимаций и фиксации положения контуров увлажнения показал наличие значительных отклонений аппроксимированных контуров от «натуры» как в формах внешних и внутри контурных линий, так и в значениях их координат. В связи с этим целью данного аналитического исследования является количественная оценка имеющих место отклонений при аппроксимации локальных контуров капельного увлажнения почв.

Материалы и методы. При проведении исследований были использованы параметры фактических контуров капельного орошения, зафиксированных О. Н. Карпенко, Н. О. Кохно, Д. О. Завадским, В. И. Торбовским, О. Е. Ясониди, В. С. Бочарниковым, А. М. Олейником и М. К. Гаджиевым

Фактические контуры капельного увлажнения (построенные по опытным данным) по указанным выше причинам в разной степени ассиметричны. При аппроксимации такие контуры приводят к симметричному относительно оси капельницы виду. При этом аппроксимированные изоплеты проводятся по точкам с координатами, соответствующими среднему значению координат фактических точек. При таком подходе точность аппроксимации изоплет контура увлажнения можно определить по результатам сопоставления значений радиусов контуров левой и правой части со средним их значением . Значения радиусов и были нами обработаны по слоям с шагом = 0,1 ( - глубина слоя, м; - глубина контура, м), а результаты их камеральной обработки приведены в таблицах 1-9. В результате обработки получены отклонения радиусов контуров в процентах от среднего их значения по каждому примеру аппроксимации фактических данных. Далее было проведено осреднение отклонений по каждому примеру и по всему массиву полученных отклонений.

Результаты и обсуждение. Известны примеры очерчивания граничных линий контуров увлажнения и внутриконтурного расположения изоплет с разным уровнем влажности почвы (в процентах от уровня наименьшей влагоемкости), выполненные О. Н. Карпенко для нижеследующих условий формирования локальных контуров увлажнения: в тепличном почвогрунте (субстрате), сформированном на основе тяжелосуглинистой почвы в смеси с навозом в соотношении 4 : 1; при поливе капельницами с расходом - = 3,9; 7,2 и 10,1 л/ч поливной нормой - = 4,53; 5,53; 8,31 л на капельницу [4, 5]. Пример выбранного к анализу локального контура увлажнения почвогрунта приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Контур капельного увлажнения тепличного почвогрунта при поливной норме = 8,31 л/м², измеренного О. Н. Карпенко через 48 ч после завершения капельного полива

Оценка точности аппроксимированных контурных линий по контуру, приведенному на рисунке 2, сделана по данным сопоставления значений радиусов контуров в левой и правой их части для оконтуривающей изоплеты, уровень влажности которой соответствует 65 % от уровня влажности наименьшей влагоемкости , и внутриконтурных изоплет (при уровнях влажности - ; и ). Результаты сопоставления значений и по представленному на рисунке 2 контуру увлажнения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты аналитической обработки очертаний изоплет локального контура увлажнения, построенного по первичным данным О. Н. Карпенко

Судя по приведенным в таблице 1 данным по определению процентных отклонений значений радиусов и от среднего значения , которое соответствует аппроксимированной изоплете, можно заключить, что отклонение координат аппроксимированных изоплет от фактических изменяется в пределах от 0,0 до 17,2 % и в среднем по анализируемому массиву данных составляет 10 %. С указанной погрешностью аппроксимации рассмотренного контура формы расположения внутриконтурных изоплет с разным уровнем влажности могут рассматриваться как качественно идентичные, так и количественно подобные и соответствующие форме ограничивающей весь контур поверхности.

Известны данные первичных измерений локальных контуров увлажнения, формирующихся в тепличных почвогрунтах, сформированных на основе южных карбонатных тяжелосуглинистых черноземов с внесением 20 % по объему перегноя, последующей перепашкой слоя 0-35 см и его трехкратным фрезерованием, приведенные Н. О. Кохно [6, 7]. Результаты их камеральной обработки приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Данные камеральной обработки первичных измерений и аппроксимаций радиусов контуров капельного увлажнения, приведенных Н. О. Кохно, для тепличных почвогрунтов

Судя по данным таблицы 2, средние значения отклонения значений и от средней величины составляет 12,5 %. Отметим, что в соответствии с примерами других приведенных Н. О. Кохно контуров, наряду с высокой сходимостью значений относительных координат очертаний контуров - и [ , полученных при разной продолжительности полива капельницами одинаковой производительности, имеются примеры относительно высоких отклонений их значений от средней величины (достигающих 24,5 и 27,7 % отклонения от среднего значения).

Отмеченное выше характерно и для других исследований. Примером тому являются приведенные Д. О. Завадским первичные данные по очертаниям контуров капельного увлажнения почвогрунтового пространства, формирующихся в глинистых черноземах центральной зоны Краснодарского края. Обработанные данные по трем контурам увлажнения в относительных координатах [] и приведены в таблице 3 [8].

Таблица 3 - Данные по относительным координатам контуров увлажнения, полученным при обработке их очертаний, приведенных Д. О. Завадским* - При = 28 л и увлажнении только (взрыхленного) поверхностного почвенного слоя ( ? 0,55 м) значение существенно отличается от приведенных в таблице 3.

Судя по приведенным в таблице 3 данным камеральной обработки, использование осредненных координат аппроксимированных Д. О. Завадским очертаний локальных контуров капельного увлажнения возможно при уровне точности аппроксимации их положения, составляющем 6,2 % (при максимальном отклонении значение от средней его величины достигает 15 %).

В таблицах 4 и 5 приведены результаты нашей камеральной обработки: контуры капельного увлажнения южных суглинистых черноземов, замеренные и аппроксимированные В. И. Торбовским [9].

Таблица 4 - Данные камеральной обработки координат очертания контура увлажнения по первичным данным В. И. Торбовского для суглинистых южных черноземов с замером контура через сутки после полива (при = 6,3 л/ч; = 3,36 ч, где - продолжительность водоподачи; = 21,2 л; = 0,65 м)

Таблица 5 - Данные камеральной обработки очертания контура по первичной информации В. И. Торбовского для суглинистых южных черноземов при = 31,9 л с замером контура через сутки после полива ( = 8,4 л/ч; = 3,79 ч; = 0,8 м)

Судя по данным таблиц 4 и 5, отклонение координат оконтуривающих линий, полученных и аппроксимированных В. И. Торбовским по факту ассиметричных контуров увлажнения от средних их значений, составляет 2,8 % и не превышает 7,3 %.

Известны данные по форме и размерам аппроксимированных контуров капельного увлажнения, приведенные в работе О. Е. Ясониди, формирующихся в условиях открытого и защищенного грунта с высокой степенью симметричности их формы [10, 11]. Результаты нашей камеральной обработки локальных контуров увлажнения почвы, приведенных в работе О. Е. Ясониди, даны в таблице 6.

Наряду с обработанными и «глубоко» аппроксимированными О. Е. Ясониди контурами увлажнения с относительно малыми отклонениями их координат (1,8 %), в монографии О. Е. Ясониди приведен асимметричный контур капельного увлажнения, построенный по данным полевых экспериментальных измерений, результаты нашей камеральной обработки которого приведены в таблице 7 [11].

Таблица 6 - Данные камеральной обработки первично аппроксимированных О. Е. Ясониди ассиметричных контуров увлажнения почвы

Таблица 7 - Результаты камеральной обработки параметров контура капельного увлажнения почвы, зафиксированного О. Е. Ясониди [11]

В соответствии с приведенными в таблице 7 данными, отметим нижеследующее:

1 Локальный контур увлажнения, зафиксированный через 24 ч после завершения капельного полива имеет высокую степень асимметричности (в нижней его части) при отсутствии уклона местности в плоскости сечения.

2 По причине фактической асимметричности контура отдельные отклонения положения его граничных (оконтуривающих) линий от средней величины значительно превышают 10%-ный уровень точности при средней погрешности аппроксимации положения изоплеты, составляющей 21,2 %.

Рассматривая данные по измерениям и аппроксимации контуров увлажнения, приведенные в работах О. Е. Ясониди (таблицы 6 и 7), в совокупности отметим, что осредненная погрешность составляет 11,5 %.

Известны данные, полученные В. С. Бочарниковым и др., по определению и аппроксимации локальных контуров капельного увлажнения, формирующихся в различных почвенных условиях (открытого и защищенного грунта) при каплевании микроводовыпусками с расходом в 1,2 и 2,0 л/ч и подачей поливных норм в диапазоне их изменения от = 2,9 л до = 25,8 л на одну капельницу, для разных уровней влажности вне- и внутриконтурного почвогрунтового пространства [12, 13]. Результаты камеральной обработки первичных данных по контурам увлажнения почвы, приведенным в работах вышеназванных ученых, представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Результаты камеральной обработки анализа положения оконтуривающих изоплет локальных контуров капельного увлажнения по первичной информации В. С. Бочарникова и др.

В связи с приведенными в таблице 8 данными, отметим относительно малую погрешность отклонений граничных линий локальных асимметричных контуров увлажнения и отсутствие в работах М. П. Мещерякова, А. С. Овчинникова, В. С. Бочарникова данных по точности (погрешности) их аппроксимации по результатам экспериментальных измерений [12, 13].

Известны также контуры капельного увлажнения почвы, зафиксированные А. М. Олейником и М. К. Гаджиевым в тяжелосуглинистых черноземах [14]. Результаты нашей камеральной обработки двух наиболее характерных локальных контуров приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Результаты камеральной обработки асимметричных локальных контуров капельного увлажнения почвы, приведенных А. М. Олейником и М. К. Гаджиевым [14]

Результаты камеральной обработки параметров локальных контуров капельного орошения, представленные в таблице 9, показывают, что отклонение аппроксимированных А. М. Олейником и М. К. Гаджиевым изоплет от зафиксированных изменяется от 0,0 до 51,4 % и в среднем составляет 11,8 %.

В целом по всем приведенным примерам аппроксимации фактических контуров капельного увлажнения (таблицы 1-9) среднее отклонение радиусов контуров увлажнения составляет 12 %. По нашему мнению, данную величину можно принять как допустимую погрешность аппроксимации, так как более точные результаты не позволяют получить приведенные выше особенности формирования контуров капельного увлажнения.

Выводы

1 Точность аппроксимации граничных контурных линий и внутриконтурных изоплет является одной из определяющих характеристик, необходимых для нахождения геометрических (их формы, линейных, площадных и объемных) параметров локальных контуров увлажнения, формирующихся в почвогрунтовом пространстве при капельном поливе. Рассмотрение и анализ ряда известных работ в этой области показали, что известные исследователи капельной технологии полива не уделяли этому вопросу должного внимания. В известных публикациях и материалах диссертационных исследований приводятся преимущественно не фактически замеренные координаты оконтуривающих изоплет, а аппроксимированные с разной степенью точности контурные линии, без указания погрешностей измерений и аппроксимации.

2 Выполненная камеральная обработка замеренных (фактических) и аппроксимированных локальных контуров капельного увлажнения позволила установить, что отклонения граничных контурных линий и внутриконтурных изоплет от вертикальной оси симметрии изменяются в диапазоне от 0 до 15 и более процентов от среднего значения радиусов контуров. Имеющие место значительные отклонения в значениях левого и правого, по отношению к оси капания, радиусов не находят объяснений в большей части рассмотренных работ, как не имеет объяснений и оценок высокая степень асимметричности фактических контуров увлажнения в других. Указанное обстоятельство и осреднение приведенных в статье результатов аналитического исследования позволяет рекомендовать для практического применения допустимую погрешность аппроксимации изоплет контуров капельного увлажнения на уровне 12 %. Локальные контуры увлажнения, аппроксимированные с погрешностью 12 и менее процентов, могут рассматриваться, как качественно идентичные, так и количественно подобные натурным (фактическим) локальным контурам капельного увлажнения почв.

Список использованных источников

1 Щедрин, В. Н. Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. - В 2 ч. - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 590 с.

2 Шкура, В. Н. Капельное орошение яблони: монография / В. Н. Шкура, Д. Л. Обумахов, А. Н. Рыжаков; под ред. В. Н. Шкуры. - Новочеркасск: Лик, 2014. - 310 с.

3 Шкура, В. Н. Расчетный метод определения параметров контура увлажнения при подземно-капельном орошении / В. Н. Шкура, Д. Л. Обумахов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2014. - № 4(16). - С. 25-36. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec294-field6.pdf.

4 Карпенко, О. Н. Капельное орошение и агротехника возделывания роз в теплице / О. Н. Карпенко // Труды ЦКРНИИГиМ. Проблемы агротехники и мелиорации. - Днепропетровск, 1989. - С. 71.

5 Карпенко, О. Н. Капельное орошение роз в теплицах: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Карпенко Ольга Николаевна. - Новочеркасск, 1989. - 22 с.

6 Кохно, Н. О. Техника и режим капельного орошения роз в теплицах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Кохно Наталья Олеговна. - Новочеркасск, 2008. - 24 с.

7 Кохно, Н. О. Орошение розы в теплице / Н. О. Кохно, М. В. Карпенко // Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства Юга России: сб. науч. статей науч.-практ. конф. / ФГБОУ ВПО «НГМА». - Новочеркасск, 2003. - С. 69-74.

8 Завадский, Д. О. Капельное орошение молодого яблоневого сада и виноградников в условиях центральной зоны Краснодарского края: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Завадский Дмитрий Олегович. - Новочеркасск, 1991. - 28 с.

9 Торбовский, В. И. Режим и техника капельного орошения малины: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Торбовский Василий Иванович. - Новочеркасск, 1992. - 24 с.

10 Ясониди, О. Е. Капельное орошение на Северном Кавказе / О. Е. Ясониди, Д. П. Гостищев // Вопросы мелиорации. - 2003. - № 5-6. - С. 19-26.

11 Ясониди, О. Е. Капельное орошение: монография / О. Е. Ясониди. - Новочеркасск: Лик, 2011. -322 с.

12 Овчинников, А. С. Методика расчета и обоснование параметров контура увлажнения в условиях открытого и закрытого грунта / А. С. Овчинников, В. С. Бочарников, М. П. Мещеряков. - Природообустройство. - 2012. - № 5. - С. 16-19.

13 Бочарников, В. С. Научно-экспериментальное обоснование повышения эффективности технологических средств локального орошения в овощеводстве открытого и закрытого грунта: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 06.01.02 / Бочарников Виктор Сергеевич. - Волгоград, 2016. - 39 с.

14 Олейник, А. М. Характер формирования контуров увлажнения почвы при капельном орошении / А. М. Олейник, М. К. Гаджиев // Режимы орошения и водопотребление сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе: сб. науч. трудов ЮжНИИГиМ. - Новочеркасск, 1984. - С. 129-133.

Штанько Андрей Сергеевич

Ученая степень: кандидат технических наук

Должность: ведущий научный сотрудник

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421

E-mail: rosniipm@yandex.ru

Глущенко Юлия Юрьевна

Должность: инженер-исследователь

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421

E-mail: rosniipm@yandex.ru

Воронов Олег Владимирович

Должность: аспирант

Место учебы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421

E-mail: rosniipm@yandex.ru

Размещено на Allbest.ru