Одна з найбільших прихованих витрат у сільському господарстві — здогади про те, скільки води використовувати. Занадто багато води створює стік, вимиває поживні речовини та витрачає енергію. Занадто мало води створює стрес для посівів і знижує врожайність. Це про точність.
Науковий розрахунок води для зрошення дає вам чіткий метод точно визначити, скільки води потрібно вашим культурам і коли вона їм потрібна. Це закладає основу розумного управління фермою. У цьому посібнику описано весь процес.
Розуміння основних принципів
Щоб точно розрахувати воду для поливу, ви повинні спочатку зрозуміти, що обумовлює попит на воду на фермах. Ці знання пояснюють «чому» за математикою.
1.1 Визначення потреби у воді
○ Потреба у воді (CWR) — це загальна кількість води, яка потрібна культурі від посадки до збору врожаю за ідеальних умов вирощування.
○ Потреба у воді для поливу (IWR) інша. Це частина CWR, яку ви повинні забезпечити шляхом зрошення. Це дорівнює CWR мінус вода з інших джерел, таких як опади та накопичена волога ґрунту.
1.2 Модель водного балансу
Уявіть своє поле як банківський рахунок. Модель водного балансу відстежує кожну краплю, як бухгалтерська книга. Принцип простий: те, що входить, має дорівнювати тому, що виходить плюс будь-які зміни в сховищі.
☆ Входи (Зрошення + Опади)=Виходи (Евапотранспірація + Стік + Глибока перколяція) + Зміна запасів води в ґрунті
Ваша мета — керувати входом «Зрошення». Це зберігає «Зміни запасу води в ґрунті» на оптимальному рівні для здорових культур.
1.3 Деконструкція ключових компонентів
Кілька ключових змінних керують цим рівнянням водного балансу. Розуміння їх є важливим для точних розрахунків.
○ Потенційна евапотранспірація (ET₀) є вашою відправною точкою. Він показує максимальну швидкість втрати води в атмосферу зі стандартної, добре-напоєної трав’яної поверхні. Погода керує цим показником через сонячну радіацію, температуру, вітер і вологість.
○ Коефіцієнт культури (Kc) регулює ET₀ для вашої конкретної культури. Молода рослина кукурудзи використовує менше води, ніж повністю доросла. Фактор Kc відображає цю зміну. Він змінюється на різних стадіях росту культури: початкова, розвиток, середній-і пізній-сезон.
○ Ефективна кількість опадів (Pe) – це частка загальної кількості опадів, яка фактично сприяє врожаю. Це дощ, який вбирається в ґрунт і залишається в кореневій зоні. Коротка сильна злива може спричинити значний стік. Його ефективна кількість опадів значно нижча за загальну виміряну кількість.
Освоєння Core Formula
Тепер, коли ви розумієте принципи, ви можете побудувати їх у практичне рівняння. Це ваш основний інструмент для розрахунку потреби в поливі.
2.1 Фаза проектування: оцінка на основі "найгіршого-сценарію"
2.1.1 Розрахунок використання води для поливу на етапі проектування
На етапі проектування та планування розрахунок використання води для зрошення ґрунтується на таких факторах, як найбільш несприятливий метод зрошення на місці проекту, максимальне споживання води протягом періоду росту сільськогосподарських культур та найбільш несприятливі погодні умови (припускаючи відсутність опадів протягом тривалого періоду, тобто опади=0). По-перше, необхідно визначити період вегетації культури та максимальну потребу в зрошенні протягом періоду її росту. Найбільш несприятливими погодними умовами є потреба культури у воді в літній період. При сівозміні кількох культур для розрахунку споживання води слід вибрати культуру з найбільшою потребою у воді влітку. Нарешті, на основі проектних параметрів зрошувальної системи, таких як метод зрошення, ефективність зрошення тощо, розраховується споживання води для зрошення.
На етапі планування та проектування період, протягом якого росте культура, повинен бути обраний як основа для проектування. Правильним вибором є використання потреби культури у воді протягом періоду росту з найбільшим споживанням води як проектної потреби культури у воді.
2.1.2 Довідкова таблиця та основа для визначення проектної інтенсивності водоспоживання (ETc)
Стандарт проектування мікро-іригаційної техніки GB/T 50485-2020 «Технічні стандарти для мікроіригаційної техніки» безпосередньо визначає проектне споживання води для сільськогосподарських культур, як показано в таблиці 1: Проектна інтенсивність водоспоживання (мм/добу). Розрахована потреба культури у воді використовується лише для розрахунку схеми поливу.
|
Культури |
Крапельний полив |
Мікро-спринклерне зрошення |
Культури |
Крапельний полив |
Мікро-спринклерне зрошення |
|
Виноград, Дерева, Дині |
3-7 |
4-8 |
Овочі (відкритий грунт) |
4-7 |
5-8 |
|
Зернові культури, бавовна, олійні рослини |
4-7 |
\ |
Круті-сезонні трави |
\ |
5-8 |
|
Овочі (заповідні території) |
2-4 |
\ |
Теплі-сезонні трави |
\ |
3-5 |
Це пояснюється тим, що для культур, які відповідають певному методу зрошення, немає необхідності надмірно враховувати період вегетації та зміни погоди. Ці вимоги може бути неможливо виконати на етапі проектування. Традиційне використання води для зрошення, яке стосується кількості води, що використовується під час одного зрошення, називається квотою зрошення (квота зрошення стосується глибини води, застосованої під час одного зрошення, або кількості води, застосованої на одиницю площі під час одного зрошення).
2.1.3 Проектна квота зрошення та максимальна кількість зрошення на подію
Максимальна кількість поливу на подію:
Де:
max′- верхня межа придатної вологості ґрунту (у %), розрахована за об’ємним співвідношенням;
min′- нижня межа придатної вологості ґрунту (у %), розрахована за об’ємним коефіцієнтом;
η- коефіцієнт використання поливної води. Різні методи поливу мають різні значення цього коефіцієнта. Зазвичай для краплинного зрошення: η=0.9; для спринклерного зрошення: η=0.85.
max′=95% потужності поля, min′=70% потужності поля.
2.1.4 Стандартний метод розрахунку для проектування зрошувального циклу
На етапі проектування цикл зрошення може бути розрахований відповідно до технічного стандарту спринклерного зрошення GB/T 50085-2007, формула 4.3.4. Цикл поливу та кількість поливів слід визначати на основі даних місцевих експериментів. За відсутності експериментальних даних кількість поливів можна визначити, виходячи з проектного репрезентативного року та режиму зрошення, сформульованого за принципом водного балансу. Цикл поливу можна розрахувати як:
Де:
○ T - проектний цикл поливу, розраховане значення є цілим числом (дні);
○ ETa- проектна інтенсивність споживання води культурою, вибрана з таблиці або взята як середнє значення пікового періоду зрошення для проектного репрезентативного року (мм/д);
○ md- проектна квота зрошення (мм).
Загальна формула розрахунку використання води для поливу:
I=ETc +W−P
Де:
○ I - споживання води для поливу, мм;
○ ETc - розрахункова інтенсивність водоспоживання, мм/добу;
○ P - опади, мм;
○ W - дефіцит вологи в ґрунті, мм. Ця формула зазвичай використовується для розрахунку споживання води для поливу на етапі проектування зрошувальної системи. Ідея полягає в тому, що використання води для зрошення повинно відповідати споживанню води культурою.
2.2 Етап експлуатації: точний розрахунок на основі «фактичних щоденних умов»
На етапі експлуатації та управління розрахунок використання води для зрошення базується на фактичній щоденній потребі в зрошенні та умовах водопостачання зрошувальної системи. Перед запуском зрошувальної системи (перед зрошенням) потрібно визначити потребу в зрошенні на основі стадії росту культури, погодних умов тощо. Потім, виходячи з поточного вмісту вологи в ґрунті та чистих опадів від останнього зрошення до поточного зрошення, розраховується кількість зрошення, необхідна для поповнення води, втраченої культурою від останнього зрошення до цього зрошення. Слід також враховувати накопичену в ґрунті воду, тобто проектний цикл зрошення. Розраховане значення:
○ Використання води для зрошення=Споживання води рослинами - (чисті опади + доступна вода в ґрунті).
○ Доступна вода в ґрунті=Польова ємність - Поточний вміст вологи в ґрунті.
Якщо цикл зрошення не враховується, розрахунок виглядає так:
○ Використання води для зрошення=Споживання води культурами - Чисті опади.
2.3 Чиста вимога до зрошення (NIR)
Формула чистої потреби в зрошенні (NIR) розраховує, скільки води потрібно внести, щоб задовольнити потреби врожаю. Він враховує опади та втрати системи.
Основна формула:
○ NIR=(ETc - Pe) / Ea
Тут ETc – випаровування сільськогосподарських культур, Pe – ефективна кількість опадів, а Ea – ефективність застосування вашої зрошувальної системи.
Давайте розберемо кожну змінну, щоб ви точно знали, як її знайти або обчислити.
⒈ ETc (випаровування культури): показує конкретне використання води вашою культурою. Обчисліть його за допомогою: ETc=ET₀ * Kc. Значення Kc для різних культур і стадій росту доступні з таких джерел, як Продовольча та сільськогосподарська організація (FAO) або університетські дослідження.
⒉ Pe (ефективна кількість опадів): Оцінка ефективної кількості опадів може бути простою або складною. Загальний метод передбачає, що Pe є відсотком від загальної кількості опадів, часто 70-80%, залежно від типу ґрунту та інтенсивності шторму. У більш точних розрахунках, як-от метод USDA-SCS, для кращої точності використовуються дані про водоутримувальну здатність ґрунту та щоденні дані про кількість опадів.
⒊ Ea (Ефективність застосування): цей вирішальний фактор часто ігнорується. Він показує відсоток води, яка фактично досягає кореневої зони культури з вашої зрошувальної системи. Жодна система не є ефективною на 100%. Втрати відбуваються від вітру, випаровування та стоку. Пізніше ми розглянемо це детально.
2.4 Моніторинг процесу
Під час поливу необхідно стежити за вологістю ґрунту та умовами росту культур, своєчасно регулюючи кількість поливу, щоб посіви отримували достатню кількість води. Крім того, для досягнення оптимальних результатів зрошення час поливу або об’єм води слід розраховувати та коригувати щодня відповідно до фактичних умов.
Підсумовуючи, розуміння та точний розрахунок споживання води для зрошення має вирішальне значення для проектування та управління експлуатацією зрошувальних систем.
Вибір вашої системи
Система поливу, яку ви використовуєте, істотно впливає на ваш розрахунок води. Це фіксується змінною ефективності застосування (Ea) у нашій основній формулі.
3.1 Роль ефективності застосування
Ефективність внесення (Ea) — це відсоток води, яка успішно зберігається в кореневій зоні культури, готової до поглинання. Залишок води втрачається через випаровування, занесення вітром, стікання або глибоке просочування під корінням.
Система з низьким рівнем Ea 50% вимагає, щоб ви вносили подвійну кількість води, яка насправді потрібна вашій культурі. Система з високим Ea 95% майже усуває ці витрати. Це безпосередньо зменшує витрати на насосні роботи та споживання води.
3.2 Порівняння ефективності системи
Розуміння типової ефективності різних систем є ключовим для вибору правильного значення Ea для ваших розрахунків. Це також допомагає при стратегічних інвестиціях у нове обладнання.
|
Спосіб поливу |
Типовий Ea (%) |
Основні причини втрати |
Найкраще для |
|
Повінь / Борозна |
40 - 60% |
Високе поверхневе випаровування, стік, нерівномірна глибинна перколяція. |
Рівні поля, багаті водою-території, специфічні-солестійкі культури. |
|
Центральна опора / спринклер |
75 - 85% |
Випаровування бризок, дрейф вітру, перехоплення навісу. |
Великі однорідні поля для зернових, кормів та овочів. |
|
Крапельний/мікро-зрошення |
90 - 95%+ |
Мінімальний. Деяке поверхневе випаровування з мокрих плям. |
Високо{0}}цінні просапні культури, сади, виноградники,-недостатні території. |
3.3 Корпус крапельного зрошення
Дані чітко показують, що крапельне зрошення пропонує найвищий потенціал ефективності використання води при зрошенні. Його високий рівень Ea безпосередньо зменшує загальну кількість води, необхідної для розрахунку чистої потреби в зрошенні.
Крапельні системи подають воду повільно і безпосередньо до кореневої зони. Це мінімізує втрати на випаровування та вітер. Цей метод також зменшує ріст бур’янів у міжряддях і забезпечує високоефективну «фертигацію» - шляхом внесення поживних речовин через зрошувальну воду.
Для тих, хто хоче максимізувати ефективність застосування, інвестиції в якісне обладнання є ключовим. Надійні продукти, такі як крапельні стрічки, доступні від спеціалізованих виробників, забезпечують постійну подачу води та довговічність. Це безпосередньо сприяє підвищенню ефективності використання води та кращим результатам урожаю.
Розширені динамічні налаштування
Статичні, сезонні розрахунки забезпечують надійну базову лінію. Однак, щоб досягти максимальної ефективності використання води в сільському господарстві, ви повинні вийти за межі середніх значень і використовувати-дані в реальному часі для динамічного керування зрошенням.
4.1 Прислухайтеся до свого ґрунту
Датчики вологості ґрунту — це ваша пряма лінія зв’язку з кореневою зоною культури. Вони відповідають на критичні питання: «Коли я повинен зрошувати?» і "Скільки води залишилося в ґрунті?"
Ці інструменти забезпечують прямі-польові вимірювання вмісту води в ґрунті. Це усуває здогади з планування. Поширені типи включають тензіометри, які вимірюють напругу води в ґрунті, та електронні зонди (TDR, Capacitance), які вимірюють об’ємний вміст води.
Розмістіть датчики на різній глибині в кореневій зоні, щоб встановити тригери зрошення. Наприклад, загальною стратегією є зрошення, коли вологість ґрунту падає до 50% доступної для рослин-води. Це запобігає стресу для культури.
4.2 Інтеграція даних про погоду
Замість використання історичних середніх місячних значень для ET₀ справді розумна система використовує-дані погоди в реальному часі.
Сучасні метеостанції надають щоденні чи навіть погодинні значення ET₀. Вони можуть бути-на фермі або частиною регіональної мережі. Інтеграція цих живих даних у ваші розрахунки дозволяє негайно коригувати ваш графік зрошення.
Ця практика запобігає надмірному зволоженню перед прогнозованим дощем. І навпаки, це гарантує, що ви нанесете достатньо води, щоб подолати неочікувану спеку. Він точно-налаштовує ваше водопостачання відповідно до фактичних умов будь-якого дня.
4.3 Облік втрат води
По-справжньому вдосконалений розрахунок виходить за рамки просто потреб у врожаї. Це враховує інші необхідні витрати води та втрати. Цей рівень деталізації рідко розглядається в базових посібниках.
Одним із ключових факторів є вимога до вилуговування (LR). У місцях із засоленим ґрунтом або водою необхідно додатково поливати, щоб вимити накопичені солі під кореневою зоною. Ігнорування цього може призвести до накопичення токсичної солі та значного зниження врожаю з часом.
Ви також повинні працювати над мінімізацією та врахуванням втрат від стоку та глибокої перколяції. Такі методи, як «пульсове зрошення», можуть значно зменшити стік на похилих або щільних ґрунтах. Це подає воду короткими порціями, щоб забезпечити поглинання ґрунту. Відповідність норми внесення вашої системи до рівня інфільтрації ґрунту має вирішальне значення. Це запобігає проходженню води повз кореневу зону до того, як культура зможе її використати.
Висновок
Закінчилася ера поливу за календарем або на дотик ґрунту. Шлях до більш прибуткової, стійкої та сталої сільськогосподарської діяльності вимощений даними. Збереження води в сільському господарстві завдяки цьому підходу приносить постійні дивіденди у вигляді економії води, енергозбереження та вищих, надійніших урожаїв.