Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Характеристика природных условий Республики Таджикистан и анализ способов и систем микроорошения сельскохозяйственных культур
1.1. Характеристика природных условий Республики Таджикистан 13
1.2. Обзор и анализ способов, технологий и систем микроорошения сельскохозяйственных культур
1.3. Структурная схема исследований 47
Глава 2. Разработка конструкций и расчет систем низконапорного микроорошения
2.1. Низконапорные оросительные систем для полива теплиц и лимонариев . 52
2.1.1. Оросительная система теплиц. Конструкция, принцип действия и схемы работы
2.1.2. Низконапорная система импульсного микродождевания теплиц и лимонариев. Конструкция, принцип действия и схема работы
2.2. Импульсный ороситель низконапорной системы микродождевания 64
67
2.3. Конструкция и принцип действия усовершенствованного низконапорного импульсного микродождевателя .
2.4. Расчет дефлекторной дождевальной насадки 72
76
2.5. Разработка и расчет усовершенствованной конструкции дождевального аппарата непрерывного действия .
2.5.1. Усовершенствование конструкции дождевального аппарата непрерывного действия .
2.5.2. Принцип образования капель дождя с применением нового дождевального аппарата
2.5.3. Расчет усовершенствованной конструкции дождевального аппарата непрерывного действия .
Выводы по главе 84
Глава 3. Экспериментальные исследования систем микроорошения и дождевателей
3.1. Объект, условия и методика проведения исследований 87
3.1.1. Место и условия проведения лабораторных и опытно-экспериментальных исследований
3.1.2. Краткая характеристика опытных участков 89
3.1.3. Методика проведения исследований и точность аппаратуры 90
3.2. Исследование гидравлических и технологических характеристик низконапорного импульсного оросителя (микродождевателя)
3.3. Исследование усовершенствованного импульсного микродожде вателя
3.4. Исследование дефлекторной дождевальной насадки 116
3.5. Исследование качества искусственного дождя аппарата непрерыв ного действия
Выводы по главе 143
Глава 4. Технические решения по системам микроорошения и их экономическая эффективность
4.1. Технические характеристики предложенных конструкций и систем микродождевания
4.2. Оценка экономической эффективности разработок . 151
4.3. Рекомендации производству по эксплуатации систем 157
Выводы по главе 158
Заключение . 159
Основные выводы 159
Рекомендации производству 161
Перспективы дальнейшего развития темы 162
Список использованной литературы
- Обзор и анализ способов, технологий и систем микроорошения сельскохозяйственных культур
- Низконапорная система импульсного микродождевания теплиц и лимонариев. Конструкция, принцип действия и схема работы
- Методика проведения исследований и точность аппаратуры
- Оценка экономической эффективности разработок
Обзор и анализ способов, технологий и систем микроорошения сельскохозяйственных культур
Рельеф территории Таджикистана подразделяется на пять вертикальных зон: равнинные (до 300-700 м), высотные (до 700-800 м), низкогорье (до 2000-2100 м), среднегорье (до 3100- 3200 м) и высокогорье (до 4400-4500 м).
Равнинные территории охватывают долинную часть. Наибольшие из них расположены на Ферганском понижении и на юге Таджикистана. Эти территории считаются многолюдными, хорошо освоенными и, с экономической точки зрения, развитыми и орошаются в основном водами рек. На этой территории преобладает антропогенный ландшафт. Равнинная часть по вертикали постепенно примыкает к высотным зонам. Высоты охватывают территорию адыров и холмов. Эти территории населением используются для богарного земледелия и в качестве пастбищ.
На низкогорьях холмы и адыры составляют единую цепь. Это хорошо выражено на склонах Вахшской, Гиссарской и Ферганской долин и на Пенджикентских равнинах. В Гиссарской долине она протянута от 900 до 1500-1800м. Верхняя часть низкогорья покрыты лёссами. Склоны низкогорья пологие. Поэтому они осваиваются населением в качестве богарного земледелия и пастбищ.
Таким образом, в рельефе территории Таджикистан преобладают горы с разными высотами расположения от уровня море. Они входят к отдельным горным системам.
Климат Таджикистана характеризуется сухостью, большой солнечной радиацией при безоблачном небе, резким колебанием годовых и суточных температур, запыленностью воздуха. Это вызвано расположением его территории на границе умеренного и субтропического поясов. Отдельные котловины отличаются микроклиматом, свойственным только этим небольшим территориям.
Вариации выпадения осадков очень велики. Максимальный их слой (до 1600 мм в год) достигается на наветренных склонах субмеридиональных хребтов, таких как Кураминский. Минимум характерен для восточных районов Памира (менее 100 мм). Ярко выражен зимне-весенний максимум осадков.
В зимний период над территорией Таджикистана взаимодействуют две основные воздушные массы — холодная и сухая с северо-востока (Азиатский максимум) и влажная и теплая с запада и юго-запада. Зима, как правило, теплая, короткая, но при проникновении воздушных масс с севера температуры могут резко падать до -15 0С. В южных районах среднемесячная температура воздуха в январе не опускается ниже -2 0С. В горных зонах температура января около -10 - -12 0С. В Восточном Памире - на «полюсе холода» страны — зимой морозы достигают -40 С. Для межгорных котловин характерна инверсия температур [11,931.
Лето всегда жаркое. Средняя температура воздуха в июле превышает 30 С. В горах и на плато от 6 до 16 С. Часто повторяются засухи. В целом безморозный период длится до 250 дней, что позволяет выращивать все позднеспелые сельскохозяйственные культуры. Существенным моментом является значительное число дней с безоблачной погодой, особенно в позднелетнее и осеннее время года [9э].
Ниже вкратце приводятся характеристики природных условий двух крупных долин центрального и южного Таджикистана - Гиссарской и Вахшской.
Гиссарская долина. Территориально Гиссарская долина расположена на западе Республики Таджикистане на высотах от 641 до 1215 метров над уровнем моря. Ее границами являются: на севере Гиссарский хребет, на юге - горы Баба-Таг, Гурган, Карши-Тау и Рангон, на востоке граничит с Нурабадским районом; на севере с Согдийской областью и на западе - с Сурхандарьинской областью Республики Узбекистан. С востока на запад она простирается более чем на 100 км и в ширину с севера на юг от 2-4 до 12-18 км [П1. Рельеф Гиссарской долины представляет собой предгорную область с равнинно-низкогорным рельефом, где широкие межгорные долины – аллювиаль-но-пролювиальные. Равнины наклонные с преобладающим уклоном до 0,1.
Гиссарская долина относится к аллювиально-террасированным равнинам. Они имеют террасированное строение и сложены четвертичными аллювиальными отложениями. Верхние террасы зон обычно расчленены и представляют собой холмистые равнины с уклоном от 0,1 до 0,4 и более. Зона расположена на высотах от 300 до 1600 м. Основные орошаемые площади расположены на отметках 700 – 900 м, а отметки возделывания богарных земель – до 1200 м; коэффициент изрезанности горизонталей колеблется в пределах К=1,25-2,45.
Глубина залегания грунтовых вод различная: на северо-восточных склонах 4-5 м, а на поймах – 0-1 м, а на горной – до 20 м.
Центральный район долинно-орошаемого и устойчивого богарного земледелия охватывает административные районы республиканского подчинения: Турсунзадевский, Шахринауский, Гиссарский, Рудаки, Варзобский, Вахдатский и Файзабадский.
Климат долины резко континентальный. Минимальные температуры воздуха в январе могут опускаться ниже -250 , а в июле повышаться до +440С. Продолжительность безморозного периода в среднем составляет 240 дней с суммой положительных температур в хлопкосеющих районах 45000. Среднегодовая температура воздуха положительная и равна +250С. Самым жарким месяцем является июль, когда среднемесячная температура воздуха составляет 27,0-28,20С, и самый холодный – январь с положительной температурой 50 С. Среднегодовая температура воздуха варьирует от 12,8 до 15,10 С, а в теплом полугодии (апрель-сентябрь) от 22,1 до 23,10 С.
Низконапорная система импульсного микродождевания теплиц и лимонариев. Конструкция, принцип действия и схема работы
По мнению академика РАН, проф. Б.М.Кизяева [ «…Инновационные технологии орошения, разработка и внедрение их в условиях возрастающего дефицита пресной воды, позволит расширить орошение и повысить эффективность орошаемого земледелия. На основе применения новых конструкций гидромелиоративных систем учеными ГНУ ВНИИГиМ, и другими учеными, предложены технологии их проектирования и реконструкции, включая дождевание, капельное орошение, мелкодисперсное дождевание, микродождевание, внутрипочвенное орошение, системы оазисного типа». Проф. Кирейчева Л.В.[6 1 считает, что основой управления мелиоративным режимом является управление внутренним влагооборотом путем проведения частых поливов, нормами, близкими к эвапотранспирации поля и поддержание в корнеобитаемом слое влажности почвы, обеспечивающей как потребность растений к воде, так и формирование сбалансированного процесса накопления и минерализации органического вещества, приводящие к повышению плодородия почвы. Инновацией в этом направлении является разработка малообъемных технологий орошения. Системы малообъемного орошения обеспечивают возможность ресурсосбережения путем использования технических средств, наиболее отвечающих требованиям ландшафтного подхода к мелиорации.
Как отмечает Губер К.В. [29], создание экологически ориентированных гидромелиоративных систем необходимо развивать на основе прогрессивных способов орошения.
Рассмотрим некоторые результаты исследования, достигнутые учеными при применении прогрессивных способов, технологий и систем микроорошения, одним из основных которые являются дождевание, в том числе и микродождевание.
Орошение дождеванием. Академик М.С. Григоров и др. отмечают актуальность применения дождевальной техники для орошения сельскохозяйственных культур в районах с засушливым климатом, имеющим развитую инженерно-мелиоративную сеть.
Согласно исследованиям Рачинского А.А., Суджита К.Б. и др. дождевание позволяет быстрее перевести оросительную воду в почвенную влагу со значительно меньшими потерями и лучшей равномерностью её распределения по полю. Ими установлено, что за единицу времени при дождевании впитывалось в 2,6 раза больше оросительной воды по сравнению с бороздковым поливом. Однако не всякое дождевание и не все дождевальные машины одинаково эффективно переводят оросительную воду в почвенную влагу. По мере увеличения диаметра капель искусственного дождя усиливается их энергетическое воздействие на почву, ухудшая тем самым впитывание влаги.
При дождевании вместе с оросительной водой осуществляется внесение микроэлементов в виде ионов, что даёт больший экономический эффект в сравнении с применением солей микроудобрений
При соблюдении эрозионно-безопасной технологии, дождевание относится к экологически обоснованным технологиям, поскольку оно полностью исключает инфильтрацию оросительной воды и подъём уровня грунтовых вод и способствует эффективному использованию природных ресурсов и повышению урожайности сельскохозяйственных культур [31 8э1.
Разработка рациональных режимов орошения и минерального питания среднеранних гибридов кукурузы при орошении дождеванием позволили получить урожайность зерна до 9,2 т/га [Щ.
Дождевание осуществляется различными дождевальными насадками, аппаратами, агрегатами и машинами. По радиусу действия дождевальные аппараты бывают короткоструйные, среднеструйные и дальнеструйные. Все дождевальные насадки относятся к короткоструйным.
Двухконсольный дождевальный агрегат ДДА-100МА и ДДА-100В оборудуются дефлекторными дождевальными насадками. Существуют стационарные и сезонно-стационарные дождевальные системы. Стационарными называют такие системы, у которых кроме дождевальных аппаратов все составные её части: насосная станция, оросительная сеть и основные сооружения на ней занимают на участке постоянное положение [Ю7] Как правило, для максимального разрежения оросительной сети в стационарных системах в основном используют дальнеструйные дождевальные аппараты.
По технологиям дождевания, т.е. выдачи оросительной нормы, всю дождевальную технику разделяют на работающую с прерывистой выдачей оросительной нормы, а также с непрерывным в течение вегетации снабжением растений влагой в соответствии с изменением их водопотребления (синхронное импульсное дождевание) [Щ.
В настоящее время используют три типа дождевальных систем -стационарные, полустационарные и передвижные. Особенность и условия их применения приведены в справочниках по мелиорации U&t Ч.
Стационарная система микродождевания СМД (рисунок 1.2.1) состоит из водозаборного и водоочистного (2) сооружения, водоподкачивающего узла (3), магистрального (4), распределительного (6), участкового (7) и оросительного (поливного) (8) трубопроводов, распределительных колодцев (5), микродождевателей, запорно-регулирующих элементов, водосборно-сбросной и дорожной сети. Микродождеватели могут быть размещены как по квадратной, так и по треугольной схемам. Наилучшим является треугольная схема их размещения. В качестве распределительных и участковых трубопроводов могут быть применены металлические, асбестоцементные, а также толстостенные полиэтиленовые трубопроводы марки ПВХ высокой плотности. Оросительные трубопроводы - из металла или полиэтилена высокой плотности. На рисунке 1.2.2 приведена схема модульного участка СМД.
В связи с тем, что СМД очень дорогая система, ее рекомендуют для полива высокорентабельных сельскохозяйственных культур: садов и виноградников, цитрусовых культур и т. д. [134]
Методика проведения исследований и точность аппаратуры
МДД сельскохозяйственных культур как метод, позволяющий снизить расход поливной воды, изучался О.Г. Грамматикати и др. в аридных условиях Чуйской долины на растениях сахарной свеклы. Их исследования показали, что при применении мелкодисперсного увлажнения сахарной свеклы, помимо экономии оросительной воды (путем сокращения одного полива), было получено увеличение сахаристости корнеплодов, что с учетом прибавки урожайности (9-12 т/га) обеспечило рост выхода сахара около 2 т/га. Производственные исследования также показали, что МДД снижало напряженность метеорологических факторов, что приводило к более экономному расходованию растениями почвенной влаги, а, следовательно, позволило отодвинуть срок очередного полива. Об эффективности мелкодисперсного дождевания косточковых культур отмечают также В.И. Водяницкий и др. [lg]. Их исследования показали, что косточковые породы (абрикос, персик) хорошо отзываются на подкроновое мелкодисперсное дождевание, при которых площадь увлажнения по сравнению с капельным орошением увеличивается в 2,5 - 3 раза и составляет 30-40 % площади питания деревьев.
Мелкодисперсное увлажнение грушевого сада способствовало улучшению микроклимата, увеличению прироста однолетних побегов и урожайности груши на 5,72 т/га [Si]. Результаты опытно- производственного использования МДД на орошении грушевого сада и чайных плантаций показали возможность повышения урожайности чайных флешей по сравнению с поливом дождеванием и по бороздам (соответственно на 9....13 и 16,8 ц/га [23]. Однако, исследования, проведённые С.А. Гжибовским, показывает значительную неравномерность распределения осадков по площади распыла. По его мнению, основным фактором неравномерности распределения осадков являются расход воды установкой и скорость ветра. Результаты его исследования свидетельствовали о положительном влиянии мелкодисперсного дождевания на общее физиологическое состояние растений, проявляющееся на повышении обводненности тканей листьев, уменьшении дефицита влаги в них и полуденной депрессии фотосинтеза.
Для проведения мелкодисперсного увлажнения в Северо-Кавказском научно-исследовательском институте горного и предгорного садоводства (СКНИИГПС) разработана, изготовлена и испытана мелкодисперсная дождевальная установка. Она может быть эффективно использована также для химической защиты и проведения внекорневых подкормок плодовых культур в интенсивном горном и предгорном садоводстве [134]
Качественное удобрительно-мелиоративное дождевание повышает урожай сельскохозяйственных культур до 35 % по сравнению с внесением сухих удобрений, даёт возможность получить с гектара 10..12 тысяч кормовых единиц, что обеспечит ежегодный доход 20..25 тыс. руб./га, производительность труда возрастает в 1,5-2 раза [&].
Учеными-исследователями разработаны и апробированы также и инновационные технологии орошения. Например, во ВНИИГиМ разработано и апробировано комбинированное капельное и мелкодисперсное орошение, что обеспечивает регулирование как режима влажности почвы, так и приземного слоя атмосферы [28,29, 89,90ндр.] В Таджикском аграрном университете разработана технология комбинированного капельно-бороздкового полива сельскохозяйственных культур, что обеспечивает увеличение объема увлажняемой зоны корневых систем растений, что очень важно для условий аридной зоны, и снижает требования к качеству поливной воды [45,46]
С.Н. Сабуренков [Ют] на основе проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований мелкодисперсного дождевания сделал вывод о том, что этот способ орошения является перспективным и ресурсосберегающим, он хорошо вписывается в систему экологически безопасного ведения сельскохозяйственного производства. Однако, несмотря на многочисленные достоинства МДД, этот способ орошения не вошел в практику орошаемого земледелия. Основная причина - отсутствие надежного и высокопроизводительного рабочего органа, т.е. для применения МДД в широких производственных условиях требуется разработка высокопроизводительного и надежного рабочего органа, который обеспечивал бы все основные технологические параметры микродождевания.
Исследования ученых показали, что дождевание, в том числе и микродождевание, при соответствии качества искусственного дождя, создаваемого различными конструкциями дождевальных насадок и аппаратов, обеспечивая микроклимат в приземном слое воздуха, положительно влияет на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур.
Следует отметить, что широкомасштабное применение современных водосберегающих, почвозащитных и экологически благоприятных технологий и техники орошения сельскохозяйственных культур требуют достаточно большого первоначального капиталовложения. Поэтому, как считает А.М.Ларионова Г 7], нельзя финансировать мелиоративные объекты по остаточному принципу, следует отрегулировать этот вопрос и начать финансировать мелиорацию и сельское хозяйство в первую очередь, тогда продовольственная безопасность страны не будет зависеть от аномальной жары, проливных дождей, пожаров и поставок продовольственных продукций сельскохозяйственного производства из-за рубежа. Такого мнения придерживаются и многие другие ученые
К основным недостаткам микродождевания можно отнести следующие: несовершенство конструкции основного её элемента – микродождевателя, имеющего низкое качество искусственного дождя с высокой интенсивностью и крупностью капель, низкую равномерность распределения дождя по площади орошения, высокое давление в оросительной сети, образование луж на поверхности земли и стока воды, дороговизна и т.д.
Для устранения вышеизложенных конструктивных и технико-технологических недоработок систем микродождевания, которые являются решением вопросов, связанных с обеспечением широкого внедрения микродождевания сельскохозяйственных культур в производственных условиях, а также и орошения парков и цветников, исследования проводились по разработанной нами блок-схеме, приведенной на рисунке 1.3.1. То есть, планировалось проведение теоретических, лабораторных и полевых исследований.
Теоретические исследования проводились с использованием библиотечного фонда Республики Таджикистан, в том числе республиканской библиотеки им. А. Фирдоуси, республиканской технической библиотеки, библиотеки агроуниверситета и фондов проектных институтов Республики Таджикистан, а также использовались материалы «интернет-сайтов». Применительно для условий Республики Таджикистан изучались различные конструкции основных технических средств системы микродождевания, разрабатывались новые технические средства, проводились их исследования для определения основных их геометрических и технологических параметров.
Оценка экономической эффективности разработок
Равномерность распределения воды импульсными микродождевателями, установленными по длине поливного трубопровода, является важным фактором, оценивающим их работоспособность. Следует отметить, что равномерное развитие и плодоношение растений больше всего зависит именно от этого фактора. Поэтому нами на опытном участке проводились многочисленные исследования по определению равномерности распределения воды импульсными микродождевателями, установленными по длине поливного трубопровода. Процесс изготовления, строительства и исследование базового варианта низконапорной системы импульсного микродождевания и распыление дождя новым имульсным микродождевателем на ОПУ Гиссарского научно-экспериментального полигона ГУ «Таджик НИИГиМ» приведен на рисунке 3.2.1.
В процессе исследования расход воды определялся по методике, изложенной в п. 3.1.3, с учетом цикличности работы микродождевателя. Цикл работы импульсного микродождевателя состоит из двух периодов - наполнение ёмкости дождевальной насадки водой н и выплеска в- продолжительности непосредственного полива, т.е. ч — н в. Тогда зависимость (3.1.8) несколько изменяется и принимает следующий вид:
Исследование равномерности распределения воды показано в таблице 3.2.1. Замеры расходов микродождевателей проводились трехкратно. По результатам осредненных измерений расходов составлялись графики. Результаты одного из таких опытов приведены на рисунке 3.2.2, где, как видно, значение расходов воды через микродождеватели имеет случайный характер, а характер линии тренда аппроксимируется полиноминальной зависимостью. Следует отметить, что расход микродождевателей, установленных по длине поливного трубопровода, отличаются друг от друга незначительно.
Процесс изготовления (а), строительства (б) и исследования базового варианта низконапорной системы импульсного микродождевания (в и г) и распыление дождя новым импульсным микродождевателем (д) на ОПУ Гиссарского научно-экспериментального полигона ГУ «Таджик НИИГиМ».
Исследование равномерности распределения воды импульсными оросителями (микродождевателями), установленными по длине поливного трубопровода №№ микро-дождевателей Расход микро-дождевателя, л/ч №№ микродождевателей Расход микро-дождевателя, л/ч
Разница между средними значениями расходов воды больше и меньше среднего их значения по всем расходам микродождевателей, установленных по длине поливного трубопровода (8,12 л/ч), колеблется в пределах от +0,92 до -0,52 л/ч. Коэффициент равномерности распределения расхода воды микродождевателями, установленными по длине поливного трубопровода, вычисленный по зависимости (3.1.4), равняется 0,86. На равномерное распределение воды микродождевателями, установленными по длине поливного трубопровода на расстоянии 3м друг от друга, на наш взгляд, определенное влияние оказывает постепенное уменьшение напора воды над фиксированным водопроходным каналом, выполненным в корпусе микродождевателя. Это связано с постепенным затуханием полиноминальной зависимости с корреляционным отношением, примерно равным 0,76. Уравнение аппроксимации также приведено на рисунке 3.2.2. с уменьшением наполнения поперечного сечения поливного трубопровода водой, а отдельно – относительно резкое увеличение или уменьшение расхода микродождевателя связано с технологическим процессом его изготовления.
Равномерность водораспределения импульсным микродождевателем в пределах площади его полива также имеет большое значение, так как именно от этого фактора больше всего зависит равномерное питание, развитие корневой системы и надземной части растений. Поэтому нами были исследованы также и эти его характеристики. В частности, проводились многочисленные лабораторные и опытно-экспериментальные исследования по определению зависимости радиуса поливного участка от диаметра dотв. и количества перфорированных поливных отверстий nотв. при разном напоре воды над ними.
Равномерность распределения воды по площади полива одним микродождевателем определялась по формуле (3.1.3). Некоторые результаты исследования приведены в таблицах 3.2.2-3.2.5 и на рисунках 3.2.3-3.2.6. Таблица 3.2.2. Зависимость радиуса полива R от напора воды h над микродождевателями при разных значениях dотв и nотв. = 4 шт.
Исследования показали, что между этими струйками на поверхности земли образовываются «пятна», т.е. при этом часть площади участка, поливаемая микродождевателем, как бы не увлажняется, и поверхность земли до глубины 15-25 см, и даже больше, при угле выхода струек равным 900, остается сухой (таблица 3.2.6 и рисунок 3.2.7). Следует отметить, что с увеличением угла выхода струек площадь таких «пятен» увеличивается, и, наоборот, чем меньше значение последнего, тем ближе зоны увлажнения этих струек и тем меньше площадь «пятен». При меньших площадях «пятен» контуры влажности почвы, образуемые вокруг струек, быстрее смыкаются, образуя при этом форму круга (рисунок 3.2.7 г). Исследования также показали, что при подаче удельной поливной нормы воды, равной 80 л/дерево и более, и меньших углах выхода струек (до 360), т.е. при 10 шт. поливных перфорированных отверстий в наконечнике микродождевателя, площадь видимого контура увлажнения полностью охватывает диаметр поливаемой окружности (рисунок 3.2.7 г). При угле выхода струек 450 (или 8 шт. поливных перфорированных отверстий) смыкание зоны контуров увлажнения струек происходило на глубине более 20 см, а при угле выхода струек более 600 (или меньше 6 шт. поливных перфорированных отверстий) полное смыкание контуров увлажняемых струйками зон на поверхности не происходило. При этом контуры увлажнения струек смыкались как на поверхности, так и на глубине корнеобитаемого слоя только вокруг самого микродождевателя с расстоянием до 0,5R (где R – радиус полива микродождевателя).
