Ресурсосберегающие технологии и технические средства орошения (стр. 1 )

На правах рукописи

ХРАБРОВ Михаил Юрьевич

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА орошения

Специальность 06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в отделе мелиорации земель Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. Россельхозакадемии.

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН, заслуженный деятель науки РФ Кружилин Иван Пантелеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, заслуженный деятель науки и техники РФ ;

доктор технических наук, профессор ;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор .

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Защита состоится < 16 > октября 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии) Москва, Б. Академическая, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ им. .

Автореферат разослан < > 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук

Актуальность. Федеральной целевой программой «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на годы» предусматривается проведение реконструкции оросительных систем на площади 160 тыс. га. В Российской Федерации в 2004 году отнесены к разряду орошаемых 4.5 млн. га сельскохозяйственных земель, однако фактически поливалось не более 1,2 млн. га. На 70% этой территории применяют широкозахватные дождевальные машины. Подача оросительной воды при дождевании производится периодически при расходах, существенно превышающих впитывающую способность почвы, в то время как водопотребление по мере роста растений, повышения температуры воздуха и почвы возрастает плавно. В результате при дождевании происходит повышение влажности в верхних слоях почвы до уровня, при котором нарушается благоприятный водно-воздушный режим. Несоответствие интенсивности водоподачи впитывающей способности почвы приводит к образованию поверхностного стока и, как следствие, к эрозии почвы и загрязнению водоисточников. Для рационального использования воды, предотвращения указанных негативных явлений и сохранения плодородия требуется создание принципиально новых экологически безопасных, ресурсосберегающих способов орошения. При этом одним из важнейших условий является снижение расхода воды на единицу произведенной продукции.

Наиболее перспективными с этих позиций являются капельное и внутрипочвенное орошение, подкроновое, мелкодисперсное и синхронное импульсное дождевание. Эти способы орошения объединены общим понятием «малообъемное орошение». Водоподача в этом случае осуществляется периодически небольшими нормами, объем поданной воды соответствует впитывающей способности почвы и близок по величине суточной эвапотранспирации за межполивной период. Значительное снижение или полное отсутствие непроизводительных потерь воды на испарение, глубинный и поверхностный сброс характеризуют технологию полива как безотходную и экологически безопасную. Данные способы орошения нашли применение во многих странах, испытывающих острый дефицит оросительной воды. Они обеспечивают экономию водных, энергетических и материальных ресурсов при повышении урожайности сельскохозяйственных культур на%.

Малообъемные способы орошения особенно эффективны при поливах различных сельскохозяйственных культур на землях, где другие способы орошения практически неприменимы (склоновые земли, недостаточное обеспечение водными ресурсами, близкое залегание грунтовых вод), площадь таких земель в Южном Федеральном округе превышает 1 млн. га.

В то же время применение способов малообъемного орошения предполагает использование для полива практически чистой воды без механических примесей; в ряде случаев возможно зарастание внутренней полости водовыпусков водорослями и засорение коллоидными частицами. Для систем малообъемного орошения характерна высокая стоимость. Каждый из данных способов орошения обладает специфическими особенностями, обуславливающими определенные требования к природно-хозяйственным условиям и набору сельскохозяйственных культур.

Анализ проблем применения малообъемных способов орошения показал, что необходимо совершенствование способов малообъемного орошения, технологии и технических средств применительно к рельефным, гидрологическим, микроклиматическим особенностям агроландшафта. Разработка методов расчета систем, принципиальных схем, способов модернизации существующих оросительных систем и технологий выращивания сельскохозяйственных культур при малообъемных способах орошения должна осуществляться на основе модульных конструкций оросительных систем.

Гипотеза. Рабочая гипотеза состояла в том, что новая технология создания систем малообъемного орошения и усовершенствованные технические средства полива обеспечат повышение эффективности использования водных и энергетических ресурсов при создании экологически ориентированных гидромелиоративных систем.

Цель исследований заключается в разработке ресурсосберегающей технологии и технических средств малообъемного орошения, обеспечивающих эффективность орошения и экологическую безопасность оросительных систем.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

-дать анализ современного состояния проблемы создания технических средств и технологий малообъемного орошения;

- изучить закономерности распространения влаги в почве на основе натурных наблюдений, лабораторных исследований и дать теоретическое обоснование режимов орошения в зависимости от применяемых технических средств полива;

- выявить влияние различных способов малообъемного орошения на величину суммарного испарения с орошаемого поля;

- разработать технологию создания модульных систем малообъемного орошения при возделывании различных сельскохозяйственных культур;

- разработать и экспериментально апробировать режимы орошения сельскохозяйственных культур с учетом особенностей различных технологий малообъемного орошения;

- усовершенствовать технические средства систем малообъемного орошения;

- разработать типовые схемы систем малообъемного орошения, обеспечивающие достижение расчетной продуктивности сельскохозяйственных культур при соблюдении требований экологической безопасности;

- разработать рекомендации по модернизации существующих оросительных систем на основе типовых схем оросительной сети малообъемного орошения;

- оценить экономическую эффективность малообъемного орошения (на примере одного из видов малообъемного орошения).

Методика исследований: При разработке технологии и технических средств малообъемного орошения использованы методы системного подхода, системотехники, теории проектирования новой техники. При проведении полевых исследований на опытно-производственных участках использовалась методика полевого опыта (,1979), методика оценки качества полива дождеванием в условиях сложного рельефа (ВНИИМиТП, 1978), методические указания по математической обработке результатов полевых опытов (ВАСХНИЛ-НИИКХ, 1961).

При проведении полевых исследований по оценке параметров поливной техники применены стандартные программы и методы государственных испытаний РД 10.11.1-87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Программа и методы испытаний» и РД «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки поливные. Программа и методы испытаний». При работе над диссертацией использованы методологические основы научной школы ВНИИГиМ им. , ВНИИОЗ, МГУП и Волгоградской ГСХА.

Личный вклад автора состоит в теоретических исследованиях по выявлению закономерностей влагопереноса в почвах при малообъемных способах орошения, определению методов снижения расхода оросительной воды на единицу продукции. Разработаны и уточненены параметры технологий малообъемного орошения, методика расчета элементов техники орошения для различных систем. Предложены новые технические средства для систем малообъемного орошения и рекомендации по проектированию новых и модернизации существующих оросительных систем. Разработаны методические основы постановки исследований. При участии автора проведены опыты и проанализированы экспериментальные данные, полученные на системах мелкодисперсного дождевания в ОПХ Заволжской ОМС Волгоградской области, капельного и внутрипочвенного орошения на землях Гиссарского полигона и в совхозе «Коминтерн», синхронного импульсного дождевания в совхозе «Коминтерн», Колхозабадском откормочном комплексе Республики Таджикистан на площади более 350 гектар.

Достоверность результатов исследований. Разработанные принципы, методы и способы базируются на фундаментальных положениях мелиоративной науки. Полученные результаты подтверждаются данными многолетних исследований в Республике Таджикистан и в Волгоградской области РФ, а также математической обработкой полученных данных.

Научная новизна работы:

- впервые дано теоретическое обоснование расчета режима орошения с учетом его влияния на величину суммарного испарения с орошаемого поля в зависимости от способа малообъемного орошения, типа почв, вида сельскохозяйственных культур;

- предложена новая технология создания модульных систем малообъемного орошения, включая расчет элементов технологии полива при малообъемных способах орошения в соответствии с их типовыми схемами.

- разработаны новые водосберегающие и почвозащитные конструкции оросительных систем и технические средства малообъемного орошения;

- разработаны современные рекомендации по модернизации существующих оросительных систем с широкозахватными дождевальными машинами с целью их использования для малообъемного орошения.

Практическая значимость результатов работы. Рекомендации по применению технических средств и технологии малообъемного орошения позволяют производить модернизацию старых и строительство новых оросительных систем в соответствии с требованиями экологической безопасности, обеспечивая высокую эффективность использования водных, трудовых и энергетических ресурсов. Результаты работы использованы при составлении нормативно-методической документации, утвержденной и введенной в действие решениями научно-технических советов Минводхоза СССР и В/О «Союзводпроект» (Пособие к СНиП 2.06.03-85 «Проектирование оросительных систем синхронного импульсного дождевания»; дополнение к Пособию к СНиП 2.06.03-85 «Капельное орошение», «Проектирование систем капельного и подкронового орошения на базе технических средств Симферопольского завода»; «Руководство по проектированию оросительных систем синхронного импульсного дождевания», В/О «Союзводпроект», № 000; «Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации систем капельного орошения» ВТР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование режимов малообъемного орошения.

2. Технология создания модульных систем малообъемного орошения.

3. Расчет элементов технологии полива при малообъемных способах орошения склоновых земель.

4. Новые конструкции и технические средства систем малообъемного орошения для создания новых и модернизации существующих гидромелиоративных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученого Совета ВНИИГиМ в 1976...2007 гг., а также на научно-методических, научно-технических и научно-производственных конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на научно-технической конференции СХИ 1979г., г. Волгоград; научно-технической конференции ВИСХОМ 1979 г., г. Москва; научно-технической конференции СХИ 1981г., г. Волгоград; Всесоюзной конференции, г. Душанбе, 1982г.; научно-технической конференции ВНИИОЗ, г. Волгоград, 1995г.; научно-технической конференции, г. Новочеркасск, 1996г.; Всероссийской научно-технической конференции ВНИИОЗ, г. Волгоград, 1997г.; Всероссийской научно-практической конференции ВНИИАЛМИ, г. Волгоград, 1998г.; научной конференции (к 75-летию ВНИИГиМ) 1999г.; 2nd international conference on land degradation / Khon Kaen, Thailand, 1999.; 17 th congress on irrigation and drainage. Transactions / Astes. Volume - 1D. Question 48. Granada. Spain. 1999.; 19th European Regional Conference of ICID./ Brno and Pragua, Czech Republic. Proceedings, 2001.; International commission on irrigation and drainage (ICID). Bled. Slovenia. 2002; международной конференции «Экологические проблемы мелиорации» (Костяковские чтения) 27-28 марта 2002 г.; 55 сессии МКИД и Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа», Москва, 8-10 сентября 2004 г.

Разработки по теме диссертации демонстрировались во Всероссийском выставочном центре на выставках «Мелиорация земель России», «Аграрная наука - Москве и москвичам», «Наука России - агропромышленному комплексу» (1997), «Мелиорация земель и сельскохозяйственное водоснабжение России», «Агропромышленный комплекс России»(1998), «Наука - агропромышленному комплексу», «Инвестиции-99. Технология живых существ. П Международная выставка» (1999) и удостоены 8-ю медалями и дипломом 2-й степени ВВЦ, дипломом РАСХН за лучшую завершенную научную разработку года (2000).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 61 печатной работе (16 по перечню ВАК), в 7 нормативно-методических документах и защищены 3 авторскими свидетельствами СССР и 23 патентами РФ, в т. ч. 6 патентов - на способы орошения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 271 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, общих выводов. В работе содержится 53 рисунка, 33 таблицы. Список использованной литературы включает 428 наименований, в том числе 56 на иностранных языках.

Автор настоящей работы сердечно благодарен за научные консультации академику РАСХН, доктору технических наук, профессору Шумакову Борису Борисовичу, академику РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Кружилину Ивану Пантелеевичу, а также за ценные советы, постоянную помощь и поддержку сотрудникам ВНИИГиМ д. с-х. н. Шейнкину Григорию Юдковичу, д. т.н. Губеру Кириллу Вадимовичу, д. с-х. н. Бородычеву Виктору Владимировичу, к. с-х. н. Губину Владимиру Константиновичу, к. т.н. Канардову Владимиру Ивановичу.

Глава 1. Существующие способы и перспективы применения малообъемного орошения

В первой главе представлен анализ современного состояния технологии и технических средств капельного орошения, микродождевания, мелкодисперсного и синхронного импульсного дождевания и внутрипочвенного орошения. В результате анализа работ , , , , , , , , I. Balogh, M. Decroix, S. Goldberg, P. Grossi, C. Gustafson и др. установлено, что существующие методы оценки выбора технических средств и схем малообъемного орошения недостаточно полно учитывают требования растений и почв к элементам оросительных систем. Разработанные отечественные технические средства не позволяют в полной мере использовать их для полива овощных, бахчевых и других культур на крупных орошаемых системах, а также на садово-огородных и приусадебных участках, что тормозит процесс внедрения их в производство.

Исследования показали, что экономия воды при малообъемном орошении в зависимости от применяемой технологии и технических средств, почвенно-климатических условий и особенностей возделываемых культур может достигать 40...60 % по сравнению с поверхностным поливом и дождеванием. Экономное расходование воды в таких системах обеспечивает высокую их эффективность за счет повышения КПД до 0,8-0,95 (при поверхностном орошении 0,5 - 0,6, при орошении дождеванием 0,7 - 0,8). Использование малообъемного орошения способствует уменьшению числа механизированных обработок почвы, сокращению или полному исключению планировочных работ, а также дренажа. На системах малообъемного орошения отмечается более раннее созревание сельскохозяйственных культур, возможно внесение питательных веществ и гербицидов с поливной водой, что снижает потребление удобрений на 30-50 % по сравнению с традиционными способами их внесения.

При капельном орошении оросительную воду по системе трубопроводов подводят непосредственно к растению или группе растений и подают через микроводовыпуск в виде капель или мелких струек в одну точку расходом, обеспечивающим полное впитывание воды без образования поверхностного стока или глубинного сброса воды. В настоящее время капельное орошение широко распространено в мире и применяется на площади более 1,5 млн. гектар. Более 70 % площади капельного орошения занимают сады и виноградники, а на остальной площади возделываются овощи, ягодники, хлопчатник и др. Наиболее развит этот способ в США, Австралии, Израиле, Италии и Франции. Микродождевание применяется чаще всего для полива плодовых культур дождевальными насадками с расходом воды 16...50 л/ч, действующими под давлением 0,1...0,4 МПа. В зависимости от конструкции микродождевателей диаметр площади полива может изменяться от 0,8 до 4,7м. Основное преимущество микродождевания по сравнению с капельным орошением - это снижение требований к очистке поливной воды. Рабочее давление при микродождевании в 3...4 раза меньше, чем на обычных дождевальных установках, вследствие чего экономия энергии достигает 20...30 %. Мелкодисперсное дождевание находит применение для регулирования фитоклимата на орошаемых полях. Оно позволяет в экстремальных погодных условиях поддерживать благоприятные для произрастания сельскохозяйственных культур фитоклиматические параметры, способствующие устранению депрессии фотосинтеза и тем самым, повышению урожайности. Мелкодисперсное дождевание в жаркое время дня может быть использовано как эффективный прием борьбы с суховеями. Системы синхронного импульсного дождевания наиболее эффективны при орошении кормовых культур сплошного сева на землях с крутыми склонами и изрезанным рельефом. Отличительной особенностью таких оросительных систем является работа импульсных дождевателей в цикличном режиме и обеспечение водоподачи, равной суточной эвапотранспирации. Внутрипочвенное орошение включает подачу воды по подпочвенным увлажнителям в корнеобитаемый слой, где происходит увлажнение за счет капиллярного передвижения влаги. Внутрипочвенное орошение способствует сохранению структуры почвы, поддерживает постоянное и равномерное увлажнение почвы в течение всего вегетационного периода. Благодаря преобладанию восходящего передвижения влаги, питательные вещества не вымываются из верхних слоев почвы. Внутрипочвенный полив почти не имеет потерь на испарение с поверхности.

Глава 2. Теоретические основы малообъемного орошения

Во второй главе показаны теоретические представления о закономерностях увлажнения почвы и расчет водного баланса при применении малообъемного орошения агроландшафтов. Для разработки режимов малообъемного орошения выполнены теоретические расчеты контуров увлажнения при капельном орошении и микродождевании.

В общем случае при определении коэффициента влагопроводности используется полуэмпирическая модель (1970). Данная модель применима для расчета динамики распределения влаги в почве в тех случаях, когда увлажняется вся поверхность орошаемого массива. При расчете режима малообъемного орошения большую роль играет оценка параметров (расход воды, продолжительность полива, механический состав почвы, коэффициент фильтрации) и показателей (видимый контур увлажнения, диаметр контура увлажнения, глубина промачивания) распределения влаги, проводимый по фактическим эпюрам влажности. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечения при поливе равномерного распределения влаги по всей площади питания растений.

Основными факторами формирования контура увлажнения (w) в почвенном профиле от точечного источника являются: q - расход водоисточника, h - глубина насыщения влагой в почве; t - время распределения влаги в почве (время полива), b - ширина контура увлажнения;

w = f (q, h,t, b). (1)

При выводе дифференциального уравнения увлажнения почвенного слоя для оценки показателей контура увлажнения исходят из уравнения неразрывности -Кочиной (1977).

(2)

где: Vx, Vy, Vz - составляющие скорости фильтрации.

Определение времени движения воды в почве предлагается проводить по уравнению (, 1977):

; (3)

где: А и В - степенные функции, зависящие от изменения размеров контура увлажнения, влажности почвы во время проведения полива и водно-физических свойств грунтов.

Поливная норма m для одиночного контура (, 1960) определяется по зависимости:

m = 10 ×F×h×g×(bнв - bпв), (4)

где: F - площадь увлажнения, м2; h - глубина расчетного слоя, м; g - плотность почвы, т/м3; bнв - требуемая влажность в % НВ, bпв - исходная предполивная влажность почвы, соответствующая нижней границе оптимального увлажнения почвы, %.

(1995) на основе имитационного моделирования установил степенные зависимости для определения диаметра D зоны (контура) увлажнения (, 1995):

D = Qm (5)

и глубины:

h = Qk (6)

где d и h – диаметр и глубина зоны увлажнения, м; Q – объем водоподачи, л; , , m, k – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа почвогрунта.

Исследования формирования зоны увлажнения с точечным водовыпуском на поверхности почвы проведены на основе имитационного моделирования. В результате статистической обработки экспериментальных данных была получена расчетная зависимость для определения предельных размеров контура увлажнения D (см) при распространении влаги в различных почвах (Дополнение к пособию к СНИП 2.06.03-85, 1988). При имитационном моделировании приняты следующие исходные данные: оптимальные величины влажности почвы - 0,6...0,7 наименьшей влагоемкости (НВ) для песков и 0,7...0,8 НВ для суглинков и глин; расход водоисточника Q≤ 1,7 см3/с (водоподача до 4,0...6,0 л/ч); экспериментально установленные размеры видимого контура увлажнения на поверхности почвы d: для песков 4-6 см, для супесей 5-23 см, для суглинков 15-23 см, для глин 35-52 см.

Полученная зависимость имеет вид:

(7)

где: Q - расход водовыпуска, см3/с; d - диаметр видимого контура увлажнения на поверхности почвы, см; k - коэффициент фильтрации, см/с; a - безразмерный коэффициент, зависящий от капиллярных свойств грунта.

Учитывая сложность расчета периода увлажнения почвы по уравнению (3), предложена эмпирическая формула для расчета продолжительности t распространения влаги на заданную глубину h.

; (8)

где: n - безразмерный коэффициент, зависящий от водно-физических свойств (n = 0,05 - для песчаных грунтов; n = 0,2 - для глинистых и суглинистых почв); V - объем увлажненной почвы; Q - расход водовыпуска, м3/час.

В таблице 1 приведены основные параметры диаметра контура увлажнения D в почве, определенные в лабораторных и полевых исследованиях. Параметры видимого контура увлажнения d и коэффициент a получены в результате обобщения экспериментальных данных.

Расчет поливных норм при капельном орошении проводится в зависимости от размера контура увлажнения почвы.

Таблица 1. Экспериментальные данные по определению диаметра контура увлажнения D при капельном орошении в зависимости от воднофизических свойств почвогрунтов.

№№ п/п	Расход капельницы Q, см3/с	Почвогрунты	Коэффициенты фильтрации k, см/с	Видимый контур увлажнения d, см	Коэффициенты зависящие от капиллярности грунта a	Диаметр контура увлажнения D, см
1	2	3	4	5	6	7
1	≤ 1,7	песок	0,01	4,0-6,0	0,1	5,3
2	≤ 1,7	супесь рыхлая	0,005	5,0-8,0	0,7	9,4
3	≤1,7	супесь плотная	0,00051	15,0-23,0	0,75	35,4
4	≤1,7	суглинок	0,00006	32,0-48,0	0,77	142,0
5	≤1,7	глина	0,00005	35,0-52,0	0,9	152,0

В частном случае для средних и тяжелых почв, у которых влагопроводность по вертикали и горизонтали близки между собой, контур увлажнения представляет собой усеченный шар или шаровой пояс (рисунок 1,2). Для определения объема увлажненной почвы Vk предложена расчетная зависимость:

Vk =Vшар. пояса= Vшара - (V1 шар. сегм.+ V2 шар. сегм.) =

=4/3× p×R3-[p× h21(R - 1 /3× h1)+ p× h22(R - 1 /3× h2) ] , (9)

где: R - радиус шара; h1 - высота верхнего сегмента; h2 - высота нижнего сегмента.

Заменяя в зависимости (4) величины F и h на объем шарового поясаVшар. пояса получим формулу для определения поливной нормы при поливе одной капельницей:

m = 10× Vшар. пояса ×g ×(bнв - bпв) , (10)

На легких почвах расчетный объём увлажнения при капельном орошении не охватывает всю зону размещения корневой системы. В этом случае целесообразно применение микродождевания (рисунок 3,4), которое обеспечивает распределение влаги по площади, соответствующей распространению основной части корневой системы растений. В случае микродождевания на легких почвах контур увлажнения принимает форму цилиндра. Объем увлажненной части почвенного слоя вычисляется по зависимости.

Vцилиндра. = p× R2 × h, (11)

где: h - высота цилиндра; R-радиус цилиндра.

Исходя из зависимости (11) поливная норма для легких почв при микродождевании равна:

m= 10× Vцилиндра ×g ×(bнв - bпв), (12)

Величину поливных норм при частом проведении поливов малым объемом достаточно точно можно определять по величине водопотребления за межполивной период. Для расчета водопотребления использовали метод теплового баланса. При увлажнении всей поверхности увлажняемого участка применима следующая зависимость (, 1954; ,1970):

(13)

где: V - затраты тепла на испарение, кал/см2Чмин; R- радиационный баланс подстилающей поверхности, кал/см2Чмин; В - поток тепла в почву, кал/см2Чмин, которым в данном случае можно пренебречь, так как величина В составляет ≤5 % от радиационного баланса; - разность температуры воздуха на высотах 20 и 160 см, о С; - разность абсолютной влажности воздуха на тех же высотах, мб.