Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние тепличного хозяйства и перспективы его развития 10
1.1 Применение сооружений закрытого фунта в сельскохозяйственном производстве 10
1.2 Существующие конструкции теплиц 13
1.3 Регулирование режима влажности почвы и воздуха 18
1.4 Способы орошения в сооружениях закрытого грунта 20
1.5 Обзор существующих систем внутрипочвенного орошения 24
1.6 Применение внутрипочвенного орошения в сооружениях закрытого грунта 28
1.7 Особенности возделывания томатов в пленочных теплицах 31
1.8 Перспективы развития тепличного хозяйства. Обоснование направления исследований 32
2. Цель, объект исследований, условия и методика их проведения 37
2.1 Обоснование цели и задач исследований 37
2.2 Объект и условия проведения исследований 38
2.3 Состав и методика лабораторных и полевых исследований 49
3. Теоретическое обоснование элементов техники и параметров систем внутрипочвенного орошения в условиях закрытого грунта 57
3.1 Теоретические основы передвижения влаги в почве при внутрипочвенном орошении 57
3.2 Обоснование глубины укладки увлажнителей, их длины и расстояния между ними 62
3.3 Обоснование элементов техники внутрипочвенного орошения 66
3.4 Основы расчета гидравлических параметров увлажнительной сети 74
4. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик внутрипочвенных увлажнителей и распределения влаги в почвенном профиле 84
4.1 Определение удельных расходов и пропускной способности трубчатых увлажнителей различных конструкций в зависимости от пьезометрического напора 84
4.2 Определение коэффициентов расхода перфорационных отверстий внутрипочвенных увлажнителей 99
4.3 Распределение влаги в почвенном профиле по длине увлажнителя при напорном внутрипочвенном поливе 107
4.4 Динамика влажности почвы по длине увлажнителя после проведения напорного внутрипочвенного полива 116
4.5 Распределение влаги в почвенном профиле и формирование контуров увлажнения в зависимости от предполивной влажности почвы и величины поливной нормы 129
4.6 Изучение формирования контуров увлажнения в зависимости от конструктивных особенностей трубчатых увлажнителей и величины пьезометрического напора 145
5. Режим внутрипочвенного орошения и водопотребление томатов в условиях закрытого грунта 151
5.1 Режим внутрипочвенного орошения томатов в весенних пленочных теплицах 151
5.2 Рост, развитие и урожайность томатов при внутрипочвенном орошении 156
5.3 Водопотребление томатов при внутрипочвенном орошении 159
6. Обоснование элементов технологии и экономическая эффективность внутрипочвенного орошения томатов в условиях закрытого грунта 169
6.1 Технология возделывания томатов при внутрипочвенном орошении...'..169
6.2 Основные рекомендации по строительству и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения в условиях закрытого фунта 171
6.3 Совершенствование конструктивных элементов систем внутрипочвенного орошения в условиях закрытого грунта 175
6.4 Оценка экономической эффективности внутрипочвенного орошения томатов в весенних пленочных теплицах 185
Основные выводы и рекомендации производству 192
Список использованной литературы 194
Приложения 212
- Существующие конструкции теплиц
- Объект и условия проведения исследований
- Обоснование элементов техники внутрипочвенного орошения
- Определение коэффициентов расхода перфорационных отверстий внутрипочвенных увлажнителей
Введение к работе
Актуальность исследований. Основная задача аграрной политики Российской Федерации - повышение эффективности сельскохозяйственного производства. В этой связи, одной из самых интенсивных отраслей является производство сельскохозяйственных культур в условиях закрытого грунта.
Использование сооружений закрытого грунта в условиях Волгоградской области позволяет получать ранние урожаи высококачественной овощной продукции. Одной из наиболее урожайных и рентабельных тепличных культур является томат. В современных условиях дефицита и высокой стоимости водных, энергетических и трудовых ресурсов для достижения наибольшей эффективности работы тепличных хозяйств, необходимо внедрение современных ресурсосберегающих технологий полива, в частности, внутрипочвенного орошения, обоснованное применение которого способно давать устойчивый положительный экономический эффект. Использование внутрипочвенного способа полива способствует наиболее качественному увлажнению активного слоя почвы при отсутствии нарушения его структуры, формированию благоприятного водно-воздушного режима, получению высоких стабильных урожаев при экономном расходовании оросительной воды.
Основополагающим фактором, сдерживающим широкое распространение и развитие внутрипочвенного способа полива в условиях закрытого грунта, является его недостаточная изученность. На сегодняшний день применение внутрипочвенного орошения при возделывании томатов в сооружениях закрытого грунта связано с рядом нерешенных вопросов, касающихся техники и технологии орошения, его влияния на величину урожайности и технического совершенствования конструктивных элементов. Решение этих вопросов является наиболее актуальным и представляет как теоретический, так и практический интерес.
Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответствии с научно-технической программой РАСХН «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» (2001 ...2005 гг.).
Цель исследований - разработка техники и режима внутрипочвенного орошения тепличных томатов, обеспечивающих получение высоких стабильных урожаев в условиях Волгоградской области.
Для достижения намеченной цели необходимо решение следующих задач:
- проведение анализа современного состояния тепличного хозяйства,
существующих технологий орошения культур в закрытом грунте и выполнение
теоретического обоснования элементов техники и основных параметров систем
внутрипочвенного орошения;
исследование гидравлических характеристик трубчатых полиэтиленовых увлажнителей различных конструкций и изучение распределения влаги в почвенном профиле при внутрипочвенном орошении в условиях закрытого грунта;
разработка рекомендаций по строительству и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения в закрытом грунте;
определение особенностей формирования водного режима почвы, закономерностей водопотребления томатов и влияния внутрипочвенного орошения на основные показатели роста, развития и продуктивности растений томатов в зависимости от режима орошения;
определение экономической эффективности внутрипочвенного орошения в условиях закрытого грунта.
Объект исследований. Система внутрипочвенного орошения с различными типами конструкции увлажнительной сети и производственные посевы томатов в весенних пленочных теплицах.
Научная новизна заключается в обосновании техники
внутрипочвенного орошения томатов в условиях закрытого грунта Волго-Ахтубинской поймы, определении основных параметров систем
внутрипочвенного орошения, оптимизации водного режима почвы, установлении закономерностей водопотребления культуры в зависимости от уровня водообеспеченности и совершенствовании конструктивных элементов систем внутрипочвенного орошения, направленного на повышение качества полива за счет равномерной раздачи поливных норм по длине трубопровода.
Практическая значимость заключается в разработке и реализации техники и технологии внутрипочвенного орошения, обеспечивающих в условиях весенних пленочных теплиц экономию материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Приводятся рекомендации по выбору конструкции увлажнителей, режимам орошения, а также по строительству и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения в условиях закрытого грунта. Дана оценка экономической эффективности, подтверждающая целесообразность применения внутрипочвенного способа полива томатов в весенних пленочных теплицах. Полученные результаты исследований могут быть использованы проектными и производственными организациями при проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем нового поколения.
Достоверность полученных результатов обеспечена надежной методологической основой, большим объемом экспериментальных исследований, выполненных с применением современных апробированных методик и методов математического анализа, а также результатами производственной проверки.
Основные положения, выносимые на защиту:
- гидравлические характеристики полиэтиленовых внутрипочвенных
увлажнителей различных конструкций;
- распределение влаги в почвенном профиле в зависимости от значения
пьезометрического напора, величины поливной нормы и конструктивных
особенностей увлажнителей;
режим внутрипочвенного орошения и водопотребление томатов в условиях закрытого грунта;
оценка экономической эффективности внутрипочвенного орошения томатов в весенних пленочных теплицах.
Реализация результатов исследований. Диссертационная работа основана на лабораторных, полевых исследованиях и производственной проверке, выполненных на кафедре сельскохозяйственного водоснабжения и гидравлики ФГОУ ВПО ВГСХА и в крестьянско-фермерском хозяйстве «Ксюша» Среднеахтубинского района Волгоградской области в 2003...2005 гг.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены на международных научно-практических конференциях «Современные оросительные мелиорации - состояние и перспективы» (посвященной 40-летию эколого-мелиоративного факультета Волгоградской ГСХА, ВГСХА, Волгоград 2004 г.), «Актуальные проблемы развития АПК» (посвященной 60-ой годовщине Победы в Великой Отечественной войне, ВГСХА, Волгоград, 2005 г.), «Агроэкологическое состояние АПК: опыт, поиски, решения» (Саратов 2005 г.), на заседаниях кафедры сельскохозяйственного водоснабжения и гидравлики ФГОУ ВПО ВГСХА (2003-2005 гг.). Полевые и лабораторные исследования ежегодно апробировались методическими комиссиями факультета и академии.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикаций материалов докторских и кандидатских диссертаций, и получено 2 положительных решения на выдачу патентов РФ на изобретения (заявки № 2005134640 (038735), № 2006143250 (047232)). Общий объем публикаций составляет 2,1 п.л., из них автору принадлежит 1,1 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций производству, списка использованной литературы. Содержание изложено на 193 страницах основного текста и включает 21 таблицу, 45 рисунков и 11 приложений. Список использованной литературы представлен 187 источниками, из них 9 работ иностранных авторов.
Доля личного участия автора в получении результатов исследований составляет не менее 80 %.
Автор выражает искреннюю глубокую благодарность своему научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Овчинникову А. С, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику РАСХН, доктору технических наук, профессору Григорову М. С, а также главе крестьянско-фермерского хозяйства «Ксюша» Сущенко С. Н. за участие в проведении исследований и помощь, оказанную при подготовке настоящей работы.
Существующие конструкции теплиц
В настоящее время существует множество различных видов утепленного грунта. Для защиты растений от резкого кратковременного снижения температуры применяют различные непрозрачные укрытия. В паровых кучах и ямах за счет разложения биологических веществ обогревается небольшой объем почвы, в котором находятся семена и корешки проростков. Более совершенным видом укрытий являются малогабаритные групповые укрытия из пленки, представляющие собой рядки, ленты или гряды, укрытые полотнищами полиэтиленовой пленки.
Самыми эффективными и наиболее применяемыми сооружениями в сельскохозяйственном производстве являются теплицы. По продолжительности эксплуатации теплицы делят на круглогодичные (зимние) и весенние (не эксплуатируемые в зимнее время). Обычно каркас теплицы устанавливается стационарно на постоянное место, но существуют также передвижные и разборные конструкции. В таких теплицах основные виды работ (внесение удобрений, обработка и смена грунтов, посадка культур) производятся на открытом грунте, который затем накрывается мобильным помещением. По назначению выделяют овощные, рассадные (разводочные) теплицы и шампиньонницы, предназначенные только для выращивания грибов. Шампиньонницы строят из непрозрачных материалов, или переоборудуют под них различные подвалы, пещеры и так далее.
Если рассматривать технологию выращивания сельскохозяйственных культур, то теплицы можно разделить на стеллажные, бесстеллажные (грунтовые) и конвейерные.Грунтовые теплицы - это сооружения с земляным полом, непосредственно в который и высаживаются семена возделываемых культур. Эти виды теплиц имеют максимальный коэффициент использования площади помещения (0,8-0,85) и наилучшие возможности для механизации работ.
Стеллажи представляют собой полки с бортами высотой 25 см, заполненные почвосмесью. Ширина этих полок колеблется от 0,6 до 1,8 м. Стеллажные теплицы наименее распространены из-за низкого коэффициента использования площади (0,6), а также из-за сложности проведения в них необходимых технологических процессов по регулированию водно-питательного режима и механизации работ.
Довольно большой интерес представляют конвейерные теплицы. Это башни высотой до 50 м из абсолютно прозрачного корпуса. Внутри этого корпуса вертикально движется замкнутый конвейер с полками, на которых установлены контейнеры с растениями. Под конвейером располагается открытый сверху резервуар с водой или питательным раствором, в который частично погружаются контейнеры, оказываясь в нижнем положении конвейера. За счет медленного вертикального движения конвейера обеспечивается равномерное освещение растений через прозрачные стенки и верхнюю часть корпуса. В нашей стране проектированием таких теплиц занимаются такие организации как НИИОХ, ТСХА, ВИЭСХ. За рубежом они широко эксплуатируются в ряде стран Европы (Австрия, Швеция, ФРГ и др.).
По конструктивным особенностям теплицы делят на ангарные (не имеющие внутренних опор) и блочные (многопролетные с промежуточными опорами). Из числа зимних аграрных теплиц широко применяемой является теплица по типовому проекту № 810-24 «Теплица зимняя грунтовая площадью 1000 м ». Основу конструкции представляют металлические трехшарнирные рамы с пролетом 14 м. Верхняя часть, боковые и торцовые стенки остекляются по металлическим шпросам. Предусматривается возможность применения принудительной вентиляции, хотя основной является естественная вентиляция через фрамуги в боковом остеклении и на кровле. Система отопления комбинированная - водяное с применением отопительно-вентиляционных агрегатов. По этому типовому проекту система отопления рассчитана в двух вариантах: для температуры наружного воздуха -30 С (Мурманск, Волгоград, Москва, Воронеж и другие) и -40 С (Новосибирск, Чита и так далее).
На основе этого проекта были разработаны типовые проекты № 810-25 (для южных районов) и 810-26, 810-27, отличающиеся несколько усиленной системой отопления и наличием облучательных установок.
Блочные теплицы изготовляются по типовым проектам № 810-52 «Теплица зимняя блочная почвенная площадью 3 га с рассадным отделением», № 810-54 «Теплица зимняя блочная почвенная площадью 3 га» и № 810-74 «Блок теплиц площадью 6 га», включающий в себя две теплицы по 3 га каждая с пролетом звена 6,4 м. Существуют проекты и более крупных блоков по 6 га. Такие теплицы оснащены устройствами для электрооблучения рассады, электроосвещением, системой вентиляции, а также системами регулирования температурного, питательного и поливного режимов.
По типовым проектам №810-99, 810-11, 810-80, 810-83, 810-87 и др., сооружения представляют собой блоки зимних почвенных теплиц площадью 6 га и шириной пролета 6,4 м, запроектированные с учетом разных климатических условий.Из пленочных теплиц широкое распространение получили блочные теплицы со съемными деревянными рамами по типовому проекту № 810-11.
Площадь такой теплицы составляет 4900 м2. Сооружение состоит из 17 секций шириной 6 м каждая, высота в коньке 4,03 м, под желобом 2,21 м. Основу конструкции составляет несущий каркас, состоящий из стоек, установленных через 3 м вдоль каждой секции, на который укладывают съемные рамы, обтягиваемые с двух сторон полиэтиленовой пленкой. Между собой стойки соединяют продольными брусками с откосами и фермами для создания необходимой устойчивости.
По типовому проекту № 810-12 теплица состоит из четырех секций по 6 м каждая. Роль стропил по этому проекту выполняют несущие рамы покрытия, которые в коньке соединяются шарнирами между собой, а противоположным концом опираются на водосливной лоток, установленный на стойки. Стойки располагаются на 3 м друг от друга и укрепляются на бетонных фундаментных столбах.
Объект и условия проведения исследований
Экспериментальные полевые исследования проводились на производственной базе крестьянско-фермерского хозяйства «Ксюша» Среднеахтубинского района Волгоградской области. Лабораторные и теоретические исследования выполнялись на кафедре сельскохозяйственного водоснабжения и гидравлики ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» в 2003-2005 гг. Экспериментальный участок располагается в северной части Волго-Ахтубинской поймы на правом берегу реки Ахтуба. Территория Волгоградской области в силу своего географического расположения часто подвергается негативным воздействиям погодно-климатических факторов: повышенный термический режим, низкая влагообеспеченность, засухи, суховеи, заморозки. Сложные климатические условия сильно затрудняют агропромышленное производство, снижают рентабельность возделывания сельскохозяйственных культур без проведения специальных мероприятий. Волгоградская область в целом характеризуется резко континентальным климатом, малоснежной зимой, засушливой весной, жарким и сухим летом. Продолжительность открытого солнечного света здесь составляет 1800-2400 часов в год, безморозного периода 160... 180 дней. В сельском хозяйстве успешное возделывание культур во многом определяется правильной оценкой и рациональным использованием всех агроклиматических и почвенных ресурсов территории. Согласно климатическому районированию, Волгоградская область отнесена к Восточно-Европейской континентальной области. Центральная и северо-западная часть территории входит в теплую и недостаточно влажную степную зону с гидротермическим коэффициентом (ГТК) 0,8...0,6; южная часть и заволжские районы относятся к очень теплой и умеренно сухой сухостепной и полупустынной зонам с ГТК 0,6...0,4 (рис. 2.1). Годовая амплитуда экстремальных температур воздуха составляет 75...80 С. Наиболее низкая среднемесячная температура в январе около (-10 С), наиболее высокая в июле (около 24 С). Летом температура воздуха может повышаться до 36...41 С.
Среднегодовая температура воздуха составляет - 6,5 С. Переход средней температурой воздуха через 0 С весной уже происходит в третьей декаде марта, а наступление периода со среднесуточной температурой выше 10 С происходит только в третьей декаде апреля. Ветры восточного и юго-восточного направления весной и летом приносят сухой и горячий воздух, что приводит к быстрому иссушению почвы. Первые засухи возможны в апреле, достигая максимума в июле: температура воздуха повышается до 36...40 С, а температура поверхности почвы - до 55...60 С, при относительной влажности воздуха менее 30% и скорости ветра от 5 до 20м/с. Начало периода снеготаяния приходится на первую декаду марта и продолжается в среднем 10... 12 дней. Однако полностью почва оттаивает к первой декаде апреля. Среднемесячные температуры воздуха в апреле составляют 6,0...9,4 С, в мае - 14,8...17,4 С, в июне - 19,0...22,5 С, в июле - 21,5...25,5 С, в августе -19,8...24,0 С, в сентябре-13,5...17,4 С и в октябре-5,9...10,2 С. Продолжительность безморозного периода 160...170 дней, период с положительной среднесуточной температурой составляет 220...245 дней, годовая сумма положительных температур воздуха достигает 3000...3200 С. Обилие тепла (свыше 3000 С), солнечного света (свыше 2500 ч) создают благоприятные условия для выращивания высоких урожаев теплолюбивых культур. Весной запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы не превышают в среднем 70 мм. Зимой в среднем выпадает 115 мм осадков, устойчивый снежный покров устанавливается с середины декабря. В зимний период часто наблюдаются оттепели, в отдельные годы бывают совсем бесснежные зимы. Высота снежного покрова невелика, и колеблется по годам в среднем от 0,05 до 0,2 м. Максимальная глубина промерзания почвы обычно приходится на март месяц и составляет 1,44 м [3]. Характеристика погодных условий по годам исследований представлена в приложении 1. Число пасмурных дней за годы исследований не большое, причем основная их часть приходится на позднюю осень и зиму, когда это не имеет принципиального значения для роста сельскохозяйственных культур. Исходя из анализа климатических условий проведения исследований, можно сделать вывод, что для получения ранних урожаев овощных культур на территории Волго-Ахтубинской поймы необходимо применение сооружений закрытого грунта. Одним из главных факторов, оказывающих воздействие на процессы почвообразования в Волго-Ахтубинской пойме является сухой полупустынный климат окружающих территорий и проточная вода, оказывающая действие на формирование рельефа, обусловливающая строение аллювия и влияющая на водные, физические и химические свойства формирующихся почв [55, 71, 78]. Исследования по изучению работы сети внутрипочвенного орошения проводились в весенних ангарных грунтовых пленочных теплицах размером в плане 12x50 м и высотой 3,8 м. Монтаж теплиц производился на естественных пойменных слоистых супесчаных почвах. Анализ результатов почвенного разреза указывает на типичность почв опытного участка этой части Волго-Ахтубинской поймы.
Результаты гранулометрического и агрохимического анализов почв опытного участка представлены в приложении 2. В этой части Волго-Ахтубинской поймы механический состав почвогрунтов неоднороден и изменяется по профилю от средних суглинков до супесей и песков. На участке, где проводились исследования, весь активный слой представлен легкими, средними суглинками и супесями. Содержание гумуса в слое 0-60 см в среднем составляет 1,23 %. Реакция почвенного раствора на орошаемом участке близка к нейтральной. Значение рН в среднем для слоя 0-1,4 м составляло - 7,93, а для активного слоя почвы - 7,85. Засоление почв отсутствует, видимо благодаря ежегодному поднятию паводковых вод и относительно близкому залеганию песков и супесей, в результате чего создается промывной режим. В период паводка реки Ахтуба уровень грунтовых вод поднимается до отметки 2,8 м от поверхности земли, а по окончании паводка падает до отметки 6,0-6,2 м. Объектом исследований является опытно-производственный участок внутрипочвенного орошения с различными типами конструкции элементов увлажнительной сети общей площадью 0,18 га (рис 2.2, 2.4). На основании проведенных ранее исследований [16, 20, 22, 29, 44, 48, 50, 61, 62, 70, 86, 91,
Обоснование элементов техники внутрипочвенного орошения
Равномерность распределения поливной воды в контуре увлажнения зависит от поливной нормы, пьезометрического напора, водно-физических свойств почвы, и конструктивных параметров увлажнителей, а равномерность раздачи поливной воды по длине увлажнителей - от длины и уклона увлажнителей, равенства в них пьезометрических напоров [29, 44, 47, 53, 117, 160]. Важнейшим фактором, влияющим на поступление и распределение в почве оросительной воды, является пьезометрический напор. Во время начала полива вода из увлажнителя движется вниз от увлажнителя преимущественно под действием силы тяжести и гидростатического давления, а вверх - в основном под действием гидростатического давления. Через некоторое время, после заполнения крупных пор грунта водой, на ее распространение оказывают влияние и капиллярные силы. Соответственно, скорость передвижения влаги зависит от количества крупных пор (с диаметром более 1 мм), величины гидростатического давления и капиллярных свойств почвы. После прекращения полива происходит дальнейшее впитывание и перераспределение воды в почве. При этом крупные поры верхних почвенных слоев постепенно освобождаются от воды, но капиллярные силы после опускания уровня воды в крупных порах продолжают действовать по всем направлениям от первоначально смоченного объема почвы. Поэтому увлажнение верхнего слоя почвы при напорных внутрипочвенных поливах более эффективно, чем при безнапорных. Однако в грунтах с нарушенной структурой, но с однородным сложением и одинаковой пористостью в верхнем и нижнем от увлажнителя слоях напорные внутрипочвенные поливы не дают существенного положительного эффекта. В этом случае наличие пьезометрического напора способствует лишь ускорению продвижения фронта увлажнения во всех направлениях от увлажнителя, при значительно большей скорости продвижения влаги вниз [44]. Д. П. Гостищевым [49] были проведены исследования по изучению влияния на форму и размеры контура увлажнения таких параметров как пьезометрический напор над осью увлажнителя, диаметр перфорации и величина поливной нормы.
Величина напора над осью увлажнителей изменялась в диапазоне 2; 1,5; 1,0 и 0,5 м водного столба. В качестве исследуемых диаметров отверстий перфорации изучались 2; 1,5; 1; 0,7 мм. В результате исследований, проведенных на отрезках полиэтиленовых увлажнителей, установлено, что увеличение величины напора над осью увлажнителя отрицательно сказывается на характере распределения воды в почве. Кроме того, за счет более рационального распределения влаги площадь увлажнения увеличивается при уменьшении напора. Установлено, что изменение диаметра отверстий существенно не влияет на форму и размеры контура увлажнения, однако сказывается на выравнивании пьезометрических напоров по длине увлажнителя, следовательно, на характере распределения влаги в почве. При малых поливных нормах форма контура увлажнения получается более рациональной. Соответственно, лучше проводить более частые внутрипочвенные поливы малыми поливными нормами. По мнению Н.Р. Хамраева [160] при напорах, значительно превышающих глубину закладки увлажнителя в голове трубопровода, пропускная способность поливных отверстий в десятки раз превышает необходимое среднее ее значение, в результате чего поступление воды в почву на этом участке ускоряется. При этом давление в трубопроводе и окружающей его почве выравнивается, расходы истечения через поливные отверстия уменьшаются, и начинается увлажнение следующих участков, таким образом, происходит саморегулировка истечения из отверстий по длине трубопровода. По прекращении полива давление в почве еще значительно, а увлажнителе близко к атмосферному, в результате чего происходит инфильтрация воды и суффозионный вынос грунта в трубку. В наименее благоприятных условиях находятся головной и концевой участки трубопровода: первый - вследствие повышенного гидростатического напора в почве, второй - вследствие позднего ее насыщения. Интенсивность инфильтрации воды и суффозионного выноса грунта в полость трубок значительно уменьшится при создании равномерного увлажнения почвы по длине трубопровода и плавного изменения расхода воды в нем. Выравнивания расходов можно добиться путем максимального приближения линии пьезометрического напора по длине трубопровода к линии его оси, а также путем подбора диаметра увлажнителя и шага перфорации. Как отмечает X. Пиров [128], площадь перфорации должна соответствовать впитывающей способности почвы, которая зависит от предполивной влажности почвы и водно-физических свойств грунтов; перфорация не должна закупориваться и допускать заиления трубок после прекращения подачи воды. В результате проведенных им исследований обнаружено, что при перфорационных отверстиях до 1 мм с площадью перфорации до 3,5 см /м наблюдается неравномерное впитывание воды по лине увлажнителя диаметром 42 мм, уложенного с уклоном около 0,009. Этот недостаток был ликвидирован устройством диафрагмы, то есть уменьшением длины увлажнителей. Исследованиями Г.И. Чернова [168] в южном Казахстане доказано, что при диаметре отверстий 1,5 мм и площади перфорации 0,07 и 0,72 см2/м наиболее эффективное увлажнение наблюдается в средних и тяжелосуглинистых почвах, мощностью более 2 м, при напорах 0,5-0,6 м. при малых напорах, как для наименьшей, так и для наибольшей перфорации отмечено неравномерное увлажнение почвы по длине увлажнителя. При расчетных напорах 0,1-0,15 м и колебании пьезометрического напора в пределах 0,05-0,06 м расход воды из отверстий перфорации уменьшается или увеличивается почти в два раза по сравнению со средним расходом, то есть напор во время полива должен быть максимальным, а площадь перфорации не более 0,1 см /м. Равномерное впитывание обеспечивалось при удельных расходах 0,1-0,4 л/с на 100 м длины увлажнителя. Большую роль играет диаметр перфорационных отверстий: микропоры могут забиваться неочищенной поливной водой за очень короткий период времени; если их размер более 1,5 мм, то возникает опасность заиления полости трубок и уменьшения срока их службы. Таким образом, нет четких рекомендаций по вопросу диаметра перфорационных отверстий, и требуется проведение дополнительных исследований. Величина гидростатического напора должна быть такой, чтобы поступающая оросительная вода достаточно увлажняла корнеобитаемый слой, но не выклинивалась на поверхность почвы и не проникала в нижележащие слои.
В связи с возможной длительностью проведения поливов при внутрипочвенном орошении величина и постоянство поддерживаемого напора по длине увлажнителей играет большую роль в обеспечении эффективности работы систем ВПО. При значительном снижении пьезометрического напора снижается пропускная способность увлажнителей, происходит недостаточное увлажнение верхних слоев грунта, что приводит к снижению производительности системы. Увеличение пьезометрического напора выше оптимального уровня приводит к неравномерной раздаче расхода по длине увлажнителей, выходу воды на поверхность почвы и увеличению непродуктивных потерь оросительной воды на глубинную фильтрацию [41]. Как было отмечено ранее, значительным отрицательным фактором при проведении внутрипочвенных поливов являются возможные непродуктивные потери оросительной воды на глубинную фильтрацию. В условиях легких подстилающих грунтов, при отсутствии естественного водоупора, многие исследователи рекомендуют применение противофильтрационных экранов, способствующих более рациональному распределению влаги в почвенном профиле, увеличению расстояний между увлажнителями, и, соответственно, снижающих стоимость систем ВПО. Исследования, проведенные М.С. Григоровым [52, 53], Е.П. Боровым [29], А.С. Овчинниковым [116, 117], А.Д. Ахмедовым [14, 16], В.Г. Лабодой [86] и многими другими учеными на увлажнителях различных конструкций, показали, что противофильтрационные экраны различных типов (полиэтиленовая пленка снизу, в форме лотка, полиэтиленовая пленка сверху и снизу и др.) препятствуют передвижению гравитационной влаги в
Определение коэффициентов расхода перфорационных отверстий внутрипочвенных увлажнителей
К конструктивным элементам внутрипочвенных увлажнителей относятся материал, из которого они изготовлены, их диаметр, наличие противофильтрационных и защищающих от заиления экранов, характер, размер и количество водовыпускных отверстий. В современных условиях при проектировании, строительстве и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения наиболее широкое применение получили полиэтиленовые трубчатые увлажнители, в связи с их надежностью, долговечностью, доступностью в приобретении и относительно низкой стоимостью. При работе пластиковых увлажнителей вода в почву подается через щели, либо точечные отверстия в корпусе трубки-увлажнителя. От корректного выбора размеров и степени водовыпускных отверстий зависит величина удельного расхода, величина поливной нормы и время полива, равномерность распределения влаги в почве по длине увлажнителя. При проектировании систем ВПО возникает необходимость решения одной из основных задач гидравлики - задачи об истечении жидкости из отверстий, которая сводится к определению скорости и расхода вытекающей жидкости. Как известно, теоретическая скорость истечения жидкости из отверстия в общем случае описывается формулой Торичелли, тождественной с известной из физики и теоретической механики формулой для определения скорости падения тела в вакууме с определенной высоты [125, 169]: где g - ускорение свободного падения, Н - действующий напор.
Соответственно, теоретический расход можно определить из выражения: где со - площадь поперечного сечения отверстия. Однако, при движении через отверстие реальной жидкости, возникают неизбежные потери напора на преодоление сил трения и вследствие эффекта сжатия струи. Поэтому приведенные формулы не могут использоваться при решении конкретных инженерных задач без учета специальных поправочных коэффициентов. Действительный расход всегда будет меньше теоретического на какой-то коэффициент: где ц - коэффициент, называемый коэффициентом расхода, и показывающий, насколько действительный расход жидкости при истечении из отверстия уменьшается по сравнению с теоретическим: Тогда уравнение (4.10) примет вид: При эксплуатации внутрипочвенных увлажнителей отверстия обычно выполняют в боковой стенке. При истечении из такового отверстия напор h не будет постоянным для всего сечения отверстия. В нижней его части будет отмечаться давление вышележащих слоев, а верхней части значение напора будет несколько меньше. Тогда расход жидкости через отверстие в боковой стенке трубы-увлажнителя будет описываться уравнением [134, 149]: Коэффициент расхода обычно определяется опытным путем. Его значения могу лежать в довольно широких пределах в зависимости от формы и размера отверстия, действующего напора и расположения отверстия. В гидравлике при истечении жидкости из отверстия в атмосферу, для инженерных расчетов, обычно принимают осредненное значение fr=0,62.
Как отмечают многие авторы [44, 53, 66, 73, 160, 128, 178 и др.], во время внутрипочвенного полива истечение жидкости происходит в сложную почвенную среду, состоящую из многих фаз и компонентов, и некоторым образом меняющую свои свойства по мере насыщения водой. По данным одних авторов [5, 52, 53, 160] коэффициент ц следует принимать от 0,5 для неустановившейся фазы полива до 0,2 для фазы насыщения. В работе [178] отмечено значительное влияние на расход жидкости из точечного отверстия физических и водно-физических свойств почвы. В зависимости от свойств почвы, ее типа, размеров отверстий коэффициенты расходов могут принимать осредненные значения от 0,09 до 0,46 при глубине закладки увлажнителей 0,4-0,6 м. Для определения значений коэффициентов ц для наших условий нами на опытно-полевой установке проводились исследования с увлажнителями диаметром 40, 32 и 20 мм. На увлажнителе диаметром 40 мм было выполнено 5 перфорационных отверстий на 1 м длины диаметром 2,0 мм. На увлажнителе диаметром 32 мм - 5 отверстий диаметром 1,5 мм и на увлажнителе диаметром 20 мм - 5 отверстий диаметром 1,0 мм. В задачу исследований входило определение коэффициентов расхода перфорационных отверстий различного диаметра в зависимости от действующего пьезометрического напора и времени полива. Напор поддерживался на уровне 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 и 0,5 м. Значения коэффициентов расхода ц определялись путем деления действительного расхода одного метра длины увлажнителя 3д, определенного с помощью расходомера на теоретический, то есть на произведение площади поперечного сечения отверстия со на число отверстий N и на yjlgh. где ji - коэффициент расхода перфорационного отверстия; Qa -действительный расход отрезка увлажнителя в данный момент времени, определенный с помощью расходомера, м /с; со - площадь поперечного сечения перфорационного отверстия, м2; N - число отверстий на исследуемом отрезке увлажнителя; g - ускорение силы тяжести, м/с ; h - действующий напор, м. Полученные значения приведены в приложении 5. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что кривые зависимости изменения коэффициента ji. от времени аналогичны кривым зависимости от времени удельных расходов увлажнителей. Зависимость изменения коэффициента расхода перфорационных отверстий диаметром 2 мм в зависимости от продолжительности полива при значениях пьезометрического напора от 0,1 до 0,5 м водного столба от оси увлажнителя показана на рисунке 4.11 В первые 10 минут после начала опыта значения коэффициентов расхода перфорационных отверстий диаметром 2 мм составляли 0,437 при напоре 0,1 м; 0,424 при напоре 0,2 м; 0,412 при напоре 0,3 м; 0,400 при напоре 0,4 м и 0,387 при напоре 0,5 м.
Через 30 минут коэффициент расхода принимал значения 0,159; 0,153; 0,146; 0,140; 0,133 при значениях пьезометрического напора от 0,1 до 0,5 м. По прошествии некоторого времени на фоне снижения значений удельных расходов увлажнителя наблюдается снижение значений коэффициентов ц при всех заданных значениях напора. Через 60 минут после начала опыта значения коэффициентов расхода при напорах 0,1...0,5 м составляли 0,127; 0,123; 0,118; 0,114; 0,109 соответственно. После 1 часа после начала опыта, как отмечалось ранее, процесс уменьшения значений удельных расходов идет гораздо менее интенсивно. Через 120 минут значения коэффициентов расхода составили 0,109; 0,104; 0,099; 0,094 и 0,089 - при напорах 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 и 0,5 м соответственно. После полной стабилизации расходов приблизительно через 240 минут после начала опыта наблюдалось постоянство значений коэффициентов расхода. При значении пьезометрического напора 0,1 м значение коэффициента ц. составило 0,097; при напоре 0,2 м - 0,093; при напоре 0,3 м - 0,089; при напоре 0,4 м - 0,085 и при напоре 0,5 м - 0,081. Таким образом, по сравнению со значением в начале эксперимента значение коэффициента расхода ц при напоре 0,1 м водного столба
