Автоматизированная технология контроля данных влажности почвы

Общие сведения
В течение вегетационного периода сельскохозяйственных культур на сети станций Росгидромета по единой программе и методике ежедекадно определяется влажность почвы с помощью термостатно-весового метода согласно РД 52.33.217–99 [4].

Сформированные ручным образом за месяц таблицы ТСХ-6м с данными о влагозапасах почвы ежемесячно отправляют в ЦГМС для проверки и в дальнейшем для помещения в агрометеорологический ежегодник. Предусмотренный контроль первичных данных влажности почвы, согласно РД 52.33.559–96 [3], на станциях выполняется не всегда из-за отсутствия полных таблиц ТСХ-5. В ЦГМС он не может быть полностью проведен из-за отсутствия книжек КСХ–3, находящихся на станциях, и большого объема данных о влажности, присланных со станций. Это является причиной того, что зачастую как в оперативной работе, так и в агрометеорологическом ежегоднике значения запасов продуктивной влаги используются плохо или вообще не проконтролированы должным образом.

Увеличение в последнее время компьютеризации первичных cетевых наземных организаций (станций) позволяет путем создания автоматизированной технологии контроля данных влажности почвы ликвидировать эти недостатки и существенно улучшить качество и оперативность агрометеорологической информации, используемой в оперативной работе и помещаемой в агрометеорологический ежегодник.


Назначение автоматизированной технологии контроля данных влажности почвы
Разработанная в ГУ «ВНИИСХМ» (авторы В.Ф. Гридасов, Ю.В. Астафьева) автоматизированная технология контроля данных влажности почвы (далее технология) предназначена для использования в отдельных сетевых наземных организациях (СНО). Однако она может быть использована и в агрометеорологических подразделениях ЦГМС при наличии необходимой информации, помещаемой в таблицу ТСХ-6м.

Технология предусматривает:
- контроль первичных данных определения влажности почвы послойно (по 10-см слоям) в четырех скважинах на наблюдательном участке до глубины 50 или 100 см, включая слой 0–5 см, если и в этом слое проводились определения влажности почвы;
- расчет средних значений влажности почвы в процентах;
- расчет запасов продуктивной влаги послойно и нарастающим итогом;
- расчет среднесуточной температуры воздуха между сроками определения влажности почвы;
- расчет суммы осадков между сроками определения влажности почвы;
- формирование фрагмента таблицы ТСХ-6м за конкретную декаду;
- оценку степени увлажнения почвы в слоях 0–10, 0–20, 20–50, 0–50, 50–100, 0– 100 см, а также в слое 0–5 см, если в нем проводились определения влажности почвы.

В итоге технология позволяет получить в полном объеме таблицу ТСХ-6м за декаду, что предусмотрено действующим нормативным документом [4]. При необходимости получаемая информация может выводиться на печать или передаваться по каналам связи для использования по назначению.


Описание автоматизированной технологии контроля данных влажности почвы
В основу технологии контроля данных влажности почвы принята незначительно усовершенствованная методика, изложенная в [3]. Эта методика предназначена для ручного контроля данных влажности на отдельных СНО Росгидромета. Она состоит из технического и критического контроля. Технический контроль включает в себя проверку правильности вычислений, предусмотренных «Книжкой для записи наблюдений за влажностью почвы» (КСХ–3) и таблицей ТСХ-6м, а также проверку требований методики определения влажности почвы [4]. В технологии контроля данных влажности почвы проверка вычислений автоматически отпадает вследствие использования ПЭВМ, что значительно сокращает время, необходимое при проведении контроля. Проверка соблюдения требований методики и других записей остается в обязательном порядке и осуществляется квалифицированным специалистом.

Критический контроль в соответствии с [3] проводят в три этапа:
- проверка данных влажности почвы на соответствие их реальным значениям;
- восстановление недостающих данных;
- проверка данных влажности почвы на соответствие их естественной изменчивости.

Контроль данных влажности по первому и третьему этапам критического контроля осуществляется в технологии контроля автоматически. Выполняется проверка на соответствие влажности почвы реальным значениям согласно [3, таблица 1]. Реальными значениями влажности почвы являются такие, которые характерны для условий увлажнения станции в данный момент вегетационного периода растений.

Выполнение второго этапа критического контроля осуществляется квалифицированным специалистом в соответствии с [3] при подготовке исходных данных по влажности почвы, так как технология основана на данных о влажности почвы, полученных в четырех скважинах на наблюдательном участке.

Следует обратить внимание на то, что в отдельных слоях почвы реальные значения влажности могут быть различными. Так в слоях 0–20 и даже 0–30 см при наступлении засухи в почвах России в качестве нижней границы реальных значений влажности может быть значение Wм/2 (Wм – максимальная гигроскопичность), а в слоях 30–100 см – Wм. Весной или летом в слоях 0–40 см в качестве верхней границы реальными могут быть значения влажности почвы, соответствующие значениям наименьшей влагоемкости (Wн), а в слоях ниже 40 см – капиллярной влагоемкости (Wк).

Реальные значения влажности почвы берут из таблицы ТСХ-5, включающей в себя все значения агрогидрологических свойств почвы (АГСП), необходимые при проведении контроля влажности почвы в соответствии с РД 52.33.219–2002 [5].

Необходимо подчеркнуть, что не во всех УГМС в прежние годы, да и в настоящее время, полностью определяли все АГСП, которые используют при проведении контроля влажности почвы. В связи с этим, таблицы ТСХ-5 содержат полные данные АГСП в незначительном количестве. Часть таблиц ТСХ-5 включают определения только Wн, или Wк. Примерно такая же часть ТСХ-5 содержит только определения плотности почвы (Р) и влажности устойчивого завядания (Wз). Наличие в таблицах Р и Wз позволяет производить расчеты запасов продуктивной влаги, что явно недостаточно и не дает возможности дать оценку степени увлажнения почвы, рассчитать поливные нормы, сток воды, оценить состояние верхних слоев почвы при проведении сельскохозяйственных работ.

Нами разработан расчетный метод определения Wн и Wк на основе их зависимости от Р и Wм [1]. В последние годы этот метод усовершенствован: в нем используется не линейная, а квадратичная зависимость между рассчитываемыми и исходными параметрами. Уравнения зависимости влагоемкостей почвы от Р и Wм рассчитывают для каждого типа почв отдельно. Исследования показали, что они должны также отдельно рассчитываться для одних и тех же слоев почв европейской и азиатской частей России, особенно для гумусовых слоев почвы, что обусловлено генетическими различиями их развития.

Применение уравнений расчета влагоемкости почв позволяет значительно снизить трудоемкость работ по определению АГСП, получать их значения для тех почв (условий), где их определения невозможны в связи с близким залеганием грунтовых вод, восполнять недостающие АГСП в таблицах ТСХ-5, где их определения ранее не проводились, осуществлять контроль ранее полученных значений АГСП. Таким образом, может быть сформирована таблица ТСХ-5 с полными данными АГСП в соответствии с требованиями, изложенными в [5], а данные из этой таблицы могут быть использованы при автоматизированном контроле влажности почвы.

Следующим этапом контроля влажности почвы является проверка данных на соответствие их естественной изменчивости согласно [3, таблица 2].

Эту проверку проводят по четырем значениям влажности почвы для каждого 10-см слоя почвы отдельно. Естественной изменчивостью почвы мы называем среднее квадратическое отклонение, полученное при достаточно большом числе определений влажности почвы, когда оно с доверительной вероятностью 0.90 характеризует его генеральное значение. Таким числом для влажности почвы по нашим исследованиям следует принимать число 36 [1]. Значение естественной изменчивости влажности почвы, рассчитанное с доверительной вероятностью 0,90 для различных почв приведено в [3, таблица 2].

В соответствии с инструкцией пользователя технологией контроля данных влажности почвы оператором (исполнителем работ) осуществляется заполнение бланка (blank.dat), который является готовым файлом для рабочей программы tcx6.exe.

Сначала осуществляется заполнение шапки таблицы ТСХ-6м в соответствии с [4]. Из таблицы ТСХ-5 заносят количество слоев определений АГСП: обычно оно равно 10. Если в какой-то декаде определения влажности почвы проводили до глубины 50 см, то программа работает с первыми пятью значениями. Затем в бланк заносят 10 значений Р, Wз, Wм, Wн, Wк и полной влагоемкости (Wп).
Далее согласно [3] заносят верхние и нижние границы реальных значений влажности почвы. Из книжки КСХ-3 заносят дату определения влажности почвы, количество слоев и значения влажности почвы по четырем скважинам, а также количество дат, предшествующих определению влажности почвы, включая дату определения. В технологии предусмотрено, что число дат между сроками определения влажности почвы может колебаться от 5 до 14 дней.

Из метеорологической книжки КМ 1 заносят значения среднесуточной температуры воздуха и суточной суммы осадков за текущую декаду.

Рабочая программа tcx6.exe, считав занесенную информацию из blank.dat и обработав ее, создаст файл tcx6.dat. Файл tcx6.dat содержит проконтролированную таблицу ТСХ-6м, параметры и оценку степени увлажнения почвы за текущую декаду.

Получив таблицу ТСХ-6м (файл tcx6.dat), заполняется «Примечание», как это предусмотрено в [4]. Здесь обязательно указываются границы реальных значений влажности почвы, выбранные оператором, что способствует проверке правильности проведения работ.

После этого делаются копии файлов blank.dat и tcx6.dat и переносятся в директорию, где будет храниться эта информация. Хранимая информация при необходимости может быть востребована для передачи или для проверки правильности выполненных операций.

Для подготовки бланка следующей декады следует воспользоваться заполненным blank.dat в предыдущей декаде, внеся изменения. За текущую декаду необходимо изменить следующие данные:
- дату определения влажности почвы;
- количество слоев определения влажности почвы;
- значения влажности почвы по 4 скважинам;
- количество дат предшествующих определению влажности почвы, включая дату определения;
- числа дат;
- значения среднесуточной температуры воздуха за эти даты;
- значения суточной суммы осадков за эти даты.

Следует также уточнить тип увлажнения почвы. Если он изменился, задать другие значения границ реальных значений влажности почвы.

Получение запасов продуктивной влаги является одной из первых задач оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных культур. Важнее указать, в какой степени они обеспечены продуктивной влагой, способны к накоплению (созданию) в той или иной степени полезной продукции [2]. Влагообеспеченность сельскохозяйственных культур основана на степени увлажнения почвы.

Нами для оценки степени увлажнения почвы используют АГСП: Wп, Wк, Wн, Wз, влажность снижения транспирации (Wс) и максимальная молекулярная влагоемкость (Wмм). Необходимо подчеркнуть, что не все указанные АГСП являются строгими физическими параметрами почвы.

Такие АГСП как Wз, Wн, Wк получают опытным путем. При отсутствии данных об этих свойствах почвы, их можно получить расчетным методом. Wз можно получить через значение Wм и пересчетный коэффициент 1.15, Wн и Wк – по уравнениям, учитывающим Р и Wм, а Wс и Wмм получают расчетным способом.

Таким образом, во всем диапазоне запаса доступной влаги при использовании указанных АГСП нами выделено пять интервалов с различной степенью доступности и полезности почвенной влаги: заболачивание, избыточное увлажнение, оптимальное увлажнение, недостаточное увлажнение и почвенная засуха.

Учитывая тот факт, что уменьшение влаги в почве постепенно влияет на изменение свойств ее доступности, мы примерно пропорционально разделили недостаточное увлажнение и почвенную засуху на две части, выделяя недостаточное увлажнение как слабое и сильное и почвенную засуху как слабую и сильную.


Примеры практической реализации
В таблице 1 представлены декадные фрагменты проконтролированной таблицы ТСХ-6м, а в таблице 2 – оценки степени увлажнения в различных слоях почвы за каждую из декад. Данные АГСП разреза, использованные при контроле влажности почвы и расчете запасов продуктивной влаги, представлены в таблице 3. Параметры степени увлажнения почвы для данного почвенного разреза представлены в таблице 4.

Как видно, таблица 1 полностью соответствует таблице ТСХ-6м, составляемой на сети станций Росгидромета в соответствии с [4]. Данные таблицы 1 о влагозапасах получены уже проконтролированными. Они сохраняются на техническом носителе, что позволяет проводить с ними любые операции: при необходимости просматривать, выводить на печать, передавать по каналам связи, помещать в агрометеорологический ежегодник.


Практическая значимость технологии
Известно, что почва является средой обитания сельскохозяйственных культур и одновременно объектом для работы сельскохозяйственной техники и машин. Степень увлажнения почвы при этом является одним из главных, если не самым главным фактором, благоприятствующим или препятствующим росту и развитию сельскохозяйственных культур, а также производству сельскохозяйственных работ.

Использование характеристики о степени увлажнении почвы позволяет регулировать влагообеспеченность сельскохозяйственных культур, давать оценку благоприятности проведения сельскохозяйственных работ: вспашки почвы, культивации, уборки урожая, рассчитывать нормы и сроки полива, рассчитывать количество воды подлежащей стоку, оценивать самовозгорание торфяных почв, если на них проводятся определения влажности почвы. Кроме этого, технология контроля позволяет давать оценку правильности определения АГСП и, особенно, соответствия их свойствам почвы наблюдательного участка, на который они распространяются.

Следует подчеркнуть, что такие оценки могут проводиться для каждого наблюдательного участка, где имеются данные АГСП. При необходимости результаты могут быть представлены в виде карт степени увлажнения почвы для отдельных ЦГМС. Опыт построения таких карт уже имеется.


Внедрение
В заключение необходимо указать, что в настоящее время технология контроля данных влажности почвы уже внедрена в пяти УГМС Росгидромета, а в трех УГМС ведутся ее испытания.

Программы написаны на языке ФОРТРАН-77 и могут работать под управлением операционных систем MS DOS, OS/2, Windows 95, 98 так, чтобы они могли быть установлены на простейших компьютерах СНО Росгидромета.


Список литературы
1. Гридасов В.Ф. Определение влагоемкости почв расчетным методом//Метеорология и гидрология. № 2. -1983.-С.113–115.
2. Гридасов В.Ф. Оценка влагообеспеченности сельскохозяйственных культур с помощью агрогидрологических свойств почв// Труды ВНИИСХМ.-Вып.33.-СПб.:Гидрометеоиздат.-2000.-С.178 – 184.
3. Контроль данных влажности почвы.РД 52.33.559 – 96.-М.:Росгидромет, 1997 – 11 с.
4. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. РД 52.33.217–99.-М.: Вып.11.- 2000.-347 с.
5. Руководство по определению агрогидрологических свойств почв.РД 52.33.219 – 2002.-СПб.: Гидрометеоиздат.-2002.-150 с.


Авторы: В.Ф. Гридасов, Ю.В. Астафьева

В.Ф. Гридасов, отдел агрометеорологических информационно-прогностических систем обслуживания народного хозяйства ВНИИСХМ;
Адрес: Россия, 249030, Калужская область, г. Обнинск, пр. Ленина, 82;
Е-mail: схм@meteo.ru,
Тел.: 08439-4-45-99


© Методический кабинет Гидрометцентра России