Введение. Исследования показывают, что конструкции гидромелиоративных систем нового поколения предполагают реализацию наиболее полного набора этих функций в рамках универсальных, комплексных решений [5, 6, 8]. Такие решения расширяют функциональные возможности гидромелиоративных систем, в том числе в плане системного регулирования гидротермического и питательного режима почвы с возделываемыми на ней агрофитоценозами. Совершенствование оросительных систем дают преимущества определяющие возможность минимизации последствий экстремальных погодных условий, в течение всего вегетационного периода сельскохозяйственных культур.
Основой технологических функции гидромелиоративной системы является улучшение неблагоприятных природных условий путем направленного регулирования водного, питательного, газового и теплового режима почвы и возделываемых растений, как взаимосвязанных факторов, рассматриваемых в единой системе «вода, почва, атмосфера. На сегодняшний дань уже ясно, что возможности мелиоративных технологий существенно шире и помимо улучшения почвенных условий может быть реализован целый комплекс технологических функций.
В практике уже известны ряд перспективных технико-технологических решений, реализующих функцию регулирования гидротермического режима агрофитоценоза. Часть из них базируется на регулировании отдельных факторов формирования гидротермического режима, - монотехнологиях, предлагающих частное решение проблемы [1, 11]. Другие предполагают объединение и системное использование различных приемов, дополняющих друг друга [3, 4]. Технические решения в этом направлении достаточно разнообразны, однако не все они одинаково эффективны, некоторые направлены на решение частных задач и относительно узко ориентированы. Актуальными остаются не решеные задачи, связанные с разработкой конечных проектов таких систем. Методические подходы к проектированию таких систем, должны быть наиболее современны, предполагать создание единой расчетной системы и универсальную программно - алгоритмическую реализацию. Актуальна проблема автоматизированного проектирования гидромелиоративных систем с расширенными функциональными возможностями регулирования гидротермического режима агрофитоценоза и комплексной протекции посевов от засух и суховеев [2, 3, 9]. Система орошения такого рода должна обеспечивать возможность оптимального подбора и объединения различных технических решений в единой конструкции. Особенно важно учитывать потребности сельскохозяйственных растений относительно регулируемых факторов в период вегетации. Определение норм биологических реакций, агробиологической активности растений на ввод в систему орошения кислородного и газового питания агрофитоценоза, также является актуальной задачей современной мелиоративной и агрономической науки [9, 10, 12]. Необходимость решения указанных задач определяет проблематику настоящих исследований в части создания гидромелиоративных систем, обеспечивающих расширение их функциональных возможностей по формированию оптимального физиологического процесса и гидротермического режима агофитоценоза.
Цель исследования состоит в том, чтобы создать единый концепт технической системы для управления физиологического процесса и регулирования гидротермического режима агрофитоценоза. Такой подход предполагает различные технические преобразования в реализации эффективных направлений технического совершенствования.
Материалы и методы. Интенсивность влага - и теплообмена верхнего слоя почвы с приземным слоем воздуха определяется метеорологическими параметрами, физическим состоянием почвы, шероховатостью и рельефом поверхности поля, архитектоникой и аэродинамическими характеристиками посева, а также местоположением поля в рельефе. Указанные физические процессы, являющиеся активными факторами, формирующими микроклимат, многие годы определяли направленности микроклиматических модельных, лабораторных и полевых исследований в агрофизике.
Для расчета «ветроломного» эффекта по данной модели необходимо было знать удельную поверхность растений и коэффициент аэродинамического сопротивления натурной полосы. В АФИ были разработаны соответствующие методики выполнения таких полевых и лабораторных модельных исследований, одновременно предложены обобщенные критерии зависимостей переноса результатов модельных аэродинамических экспериментов в природные условия (Усков, 1978).
В 1948 г. А. Ф. Чудновский выполнил аналитический обзор состояния теории о динамике температурного режима в приземном слое воздуха и предложил корректные подходы физического описания теплообмена в системе «почва – атмосфера» в суточном цикле. Им же была теоретически решена задача переноса тепла и формирования температурного поля в приземных слоях воздуха (1972). Теплообменные процессы между поверхностью почвы, лишенной растений, и атмосферой исследованы многими агрофизиками; они и по сей день не теряют своей актуальности.
При активации поливной воды углекислым газом использовались методологические указания открытого общества ВНИИГ им Б.Е. Веденеева. Контроль обогащённой воды кислородом (О2) проводился расчетным путем, с разбавлением поливной воды с перекисью водорода. Качество углекислого газа (СО2) проводится прибором измерителем с индикатором уровня его концентрации. Для объективной оценки результатов исследований, опыт по подаче теплого воздуха в систему орошения, проводился в соответствии с общепринятыми методиками.
Результаты и обсуждения. Разработка универсальной автоматизированной системы орошения планируется проводится на основании обобщения опыта НИОКР, проводимых в ВНИИГиМ и крестьянско-фермерских хозяйствах Волгоградской области с использованием комбинированных оросительных систем.
В нашей разработке классическая схема представляет собой систему капельного орошения с вводом в ее комплектацию дополнительного распределительного трубопровода 9, для производства функции мелкодисперсного дождевания (МДД). Режим работы МДД осуществляется при повышении давления воды до 0,02 МПа в дополнительном распределительном трубопроводе 9 и в поливных трубопроводах 14 вмонтированных в его стенки. Вода под давлением поступает к установкам МДД 13 и посредством распылительных насадок происходит увлажнение возделываемой культуры. Контроль расхода воды осуществляется измерительными приборами15 (рисунок 1).
Рисунок 1 - Классическая схема системы
комбинированного орошения
На рисунке 2 представлена установка мелкодисперсного дождевания для регулирования гидротермического режима овощных и зерновых культур. Для регулирования микроклимата многолетних садовых насаждений нами была разработана установка прямого назначения для увлажнения садовых насаждений и ягодных культур (рисунок 3).
Применение разработанной установки (рисунок 3) позволило нам провести экспериментальный опыт с использованием подачи в систему орошения воздуха, нагретого до оптимальной температуры 10…150С, для предотвращения весенних заморозков.
1- поливной трубопровод; 2- капельница; 3- перфорированное отверстие; 4 - 5 адаптеры; 6- стойка; 7- мягкая трубка; 8- входной адаптер; 9- клапан; 10- распылительная насадка;
Рисунок 2 - Установка МДД для увлажнения овощных и зерновых культур
1- Стойка; 2 - Закольцованный трубопровод; 3- Поперечный стержень; 4-Тройничек; Распылительная насадка; 6 - опорные стержни; 7- Гибкая трубка; 8 - Крепление; 9 - почва; 10 - крепеж; 12 - переходная трубка; 15 - Распределительный трубопровод; 16 - Капельница
Рисунок 3 - Установка для струйчатого и аэрозольного орошения
с использованием подачи теплого воздуха в крону садового насаждения
Исследования по управлению физиологическим процессом нас привели к идее создания универсальной многофункциональной системы, способной осуществлять орошение не только поливной водой, а водой с принудительно растворенными в ней молекулами кислорода или углекислого газа. Попытки повысить концентрацию углекислоты в поле известны уже давно. Так Ф.Р. Идель в опытах с утилизацией очищенных дымовых газов получил увеличение урожая свеклы в 1,5 раза, по сравнению с контролем. Люндегард (Lundegard., 1924) получил прибавку урожая корней свеклы на10% при подкормке чистым углекислым газом. В опытах Стоклазы с увеличением концентрации углекислоты до 0,1, 0,22 и 0,30% также наблюдалось увеличение веса корня соответственно на 234,250,272 г. В полевых опытах опытной станции в Монстере, где углекислоту давали ежедневно в течении двух часов утром и двух часов после полудня, получен урожай свеклы в 1075 ц/га против 875 ц/га в контроле (Ковалев,1934). В вегетационном опыте З. Журбицкий (1928) давал углекислый газ по утрам 44 раза из расчета, чтобы в воздухе, окружающем растения, было 5% углекислого газа. Удобрение дало положительную тенденцию. Эти результаты позволяют считать, что в естественных условиях повышенное содержание углекислого газа в воздухе приводит к интенсивности фотосинтеза и повышению урожая. Поэтому улучшение условий для поступления углекислого газа (ликвидация дневной депрессии и освежающие поливы с удобрением СО2) должно найти применение в качестве мероприятий для повышения урожая. Максимальная доза удобрения углекислым газом при поливе растений составляет 100 тонн воды на 300кг СО2 [4,5]. Аэробное дыхание корней растений заключается в непрерывном поглощении кислорода и выделении углекислого газа. Процессы метаболизма в корнях растений, нормально растущих на хорошо дренированных почвах, нарушаются почти немедленно, если прерывается этот обмен кислорода и углекислоты. Недостаточный газообмен может снизить урожай растений, даже если он длится всего один день, и привести к гибели корней, если он продолжается несколько дней [2, 8], т.е. при нарушении аэрации. Аэрация – это обмен кислорода между атмосферой, почвой и корнями растений. Большая часть газообмена, эффективного для аэрации корней растений в хорошо дренированной почве происходит через почву. Однако в почвах насыщенных водой, основное значение может иметь обмен через само растение. Если почва насыщена водой, то газы должны перемещаться в воде в растворенной форме. В естественных условиях такое перемещение происходит слишком медленно, чтобы быть эффективным. Если в почве имеются наполненные газом поры, то растворенные в воде газы стремятся к равновесию с газообразной фазой. Если наполненные газом поры взаимосвязаны и достигают поверхности почвы, то газообмен с атмосферой происходит как через почвенную воду, так и через газообразную фазу, причем обмен через газообразную фазу происходит быстрее, так как скорость диффузии в этом случае гораздо выше, чем диффузии в почвенной воде. Хотя газообмен может происходить также за счет движения воздуха в почву и из нее в результате изменения скорости ветра, температуры, барометрического давления и содержания воды в почве, однако его масштабы имеют второстепенное значение по сравнению с газообменом путем диффузии.
Дыхание корней растений и микроорганизмов является основной причиной поглощения почвами кислорода и выделения ими углекислого газа. Скорость дыхания регулируется такими условиями как температура, обеспечение водой, а также типом и количеством дышащих тканей (К.А. Блэк, // Растения и почва, глава 3с.101) позволили предложить методы оценки испаряемости вблизи лесных полос и на открытом пространстве, уточненные по данным наблюдений с использованием испарителей (Левин, 1953). В тех же комплексных полевых опытах среди лесных полос было исследовано (А. И. Куценко) иссушение почвы по горизонтам почвенного профиля в слоях 0–50 см, 50–100 см, 100–150 см и установлено 20% уменьшение количества испарявшейся влаги в слое 0–180 см. относительно открытого поля.
Для объективности наших исследований мы выделили отдельно из универсальной многофункциональной системы орошения, функцию подачи теплого воздуха посредством установок предусмотренных для мелкоструйчатого орошения и мелкодисперсного дождеванияи провели экспериментальный опыт.
Наблюдениями было установленно, что в весенний период температура окружающего воздуха колеблется в диапазоне от +50С до +190С днем, и от минус 3 до-50С ночью. Самые низкие температуры возникают ночью и в утренние часы, при восходе солнца, который сопровождается, усилением скорости ветра до 5м/сек. В этот весенний период времени в Волгоградской области уже к середине марта на плодовых деревьях набухают почки, а в апреле месяце начинается цветение. Для садовода особенно характерно не пропустить в это время ночных и утренних заморозков. Их появление пагубно влияет на будущий урожай плодовых культур, вплоть до полного осыпания цветочных завязей даже при незначительных низких отрицательных температурах воздуха от – 1 0С.
На таблицах 1-2 представлены выкладки наблюдений за суточными весенними температурами по времени, из которых определенно видно присутствие ранних заморозков, которые несомненно скажутся на формирование урожайности плодовых культур.
Таблица 1. – Динамика суточных температур воздуха, 14 - 15.03.2020 г.
|
Время час/сут |
22 |
24 |
02 |
04 |
06 |
08 |
10 |
|
Темература воздуха 0 С |
2 |
0 |
-1 |
-2 |
-1 |
1 |
2 |
Таблица 2. – Динамика суточных температур воздуха, 01- 02.04.- 2020г.
|
Время час/сут |
22 |
24 |
02 |
0 4 |
06 |
07 |
08 |
10 |
|
Температура Воздуха 0С |
1 |
0 |
-1 |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
2 |
Анализируя вышеизложенный материал, мы пришли к выводу, чтобы избежать в дальнейшем воздействие отрицательных температур при цветении содовых культур, необходимо разработать решения направленные на усовершенствование стационарных поливных систем трубопроводного типа.
Усовершенствование системы орошения заключается в следующем. На существующую стационарную классическую систему орошения (рисунок 2), мы ввели в эксплуатацию конструктивные элементы и агрегаты (рисунок 3), для дополнительной функции снабжения системы орошения теплым воздухом, связанные с предотвращением воздействия на цветущий сад отрицательных температур при весенних заморозках.
Проанализировав материалы по разработке стационарных систем орошения, мы пришли к выводу, что для обогрева каждого многолетнего насаждения потребуется садовая установка при помощи которой возможно обеспечение подачи теплого воздуха непосредственно в его крону. Такие садовые установки были разработаны для орошения многолетних насаждений при капельных, аэрозольных и комбинированных поливах (Н.Н. Дубенок, А.В. Майер, В.С. Бочарников, С.В.Бородычев). Мы остановились на комбинированной садовой установке, т.е. капельное орошение в сочетании с аэрозольным, которая имела возможность обеспечить подачу теплого воздуха посредством капельниц и распылителей непосредственно в крону многолетнего насаждения. Подача теплого воздуха через садовую установку позволит уберечь многолетние насаждения от пагубных ранних заморозков, особенно во время цветения.
1-Водозабор; 2-Насосная станция; 3-Блок фильтров; 4-Подводящий трубопровод; 5-Распределительный трубопровод; 6- Поливной трубопровод; 7- Сбросное устройство; 8-Сбросной клапан; 9-запорная арматура; 10-Газовый баллон; 11- газовый теплогенератор; 12- Подводящая линия; 13-Границы поливного модуля; 14-Замыкающий трубопровод
Рисунок 4 - Усовершенствованная схема стационарной системы орошения
трубопроводного типа с подачей теплого воздуха
Принцип работы системы орошения предназначенной для подачи теплого воздуха посредством установки для МДД, непосредственно в крону многолетнего насаждения (рисунок 1). Как видно из рисунка 3, к газовому генератору 11, из газового баллона 10, подается жидкий газ, из теплогенератора 11 теплый воздух принудительно подается в распределительный трубопровод 5, затем в поливные трубопроводы 6, посредством гибких поливных трубок теплый воздух попадает в установку с поливным трубопроводом выполненным в виде круга с вмонтированными в него капельницами с ускоренным расходом воды до 8 л/мин (рисунок 4). Поливной модуль состоит из водозабора 1, насосной станции 2, блока фильтров тонкой и грубой очистки 3, распределительного 5, поливных 6, и замыкающего трубопроводов 13. На замыкающем трубопроводе смонтированы сбросные устройства 7, с запорной арматурой 9, для сброса холодного воздуха при запуске системы обогрева воздуха. При работе системы орошения в режиме обогрева запорной арматурой 9, запирается подводящий трубопровод 4, системы орошения и теплый воздух по распределительному трубопроводу 15 подается к установке , установленной у каждого многолетнего насаждения. При выходе воздуха из капельниц 16 и распылителей расположенных на поливном трубопроводе установки 5 по высоте всей кроны и вокруг садового насаждения. Теплый воздух поднимается вверх, меняя знак отрицательной температуры на положительную температуру, согревая тем самым цветущие почки и сберегая их от преждевременных заморозков (рисунок 5).
В процессе исследований с марта по май месяцы наблюдениями были установлены суточные отрицательные температуры с ночными и утренними заморозками и произведены опыты по показаниям влияния подаваемого теплого воздуха на суточную температуру окружающего воздуха.
Рисунок 5 - Графики кривых суточных температур.
Наблюдениями установлено, что с началом работы газового терморегулятора, отрицательная температура меняет свой знак на плюсовую температуру после сброса холодного воздуха с распределительного трубопровода, с началом поступления теплого воздуха в крону многолетнего насаждения (рисунок 4). Проанализировав выше изложенные материалы мы пришли к необходимости создания такой системы орошения, которая позволит обеспечивать не только необходимые пороги влажности, а полностью регулировать гидротермический режим агрофитоценозов, тем самым контролировать физиологический процесс развития и формирования возделываемых растений. Нами предложены условные схемы для разработки универсальной системы орошения с введением дополнительных конструктивных элементов при вводе в эксплуатацию необходимых функций полива и их объединения в одну многофункциональную систему орошения.
1 -пульт управления; 2- водозабор; 3- насосная станция; 4- станция очистки; 5- кислородная станция; 6- станция углекислого газа; 7- гидроподкормщик; 8- теплогенератор; 9- установка для МДД + струйчатый полив; 10- транспортирующий газопровод; 11- перепускной кран с обратным клапаном; 12- распределительный трубопровод для комбинированного орошения; 13- поливные линии комбинированного орошения; 14- контролеры; 15 - транспортирующий трубопровод; пунктирная линия-электропроводка
Рисунок 6 - Условная схема универсальной многофункциональной
системы орошения для регулирования физиологических
и гидротермических процессов
Принцип работы универсальной многофункцион6альной системы орошения: Водозабор 2 осуществляется насосной станцией 3, далее поливная вода под давлением до 0,5 МПа подается к фильтровальной станции грубой и мелкой очистки 4, затем поливная вода транспортируется к распределительным трубопроводам к станции обогащения воды углекислым газом 7 (СО2) и к станции обогащения поливной воды кислородом 6 (О2), где запорной арматурой служат автоматические контролеры 14; активированная вода поступает в установки 9 для мелкодисперсного дождевания (МДД) При насыщении поливной системы теплым воздухом в период ранних весенних заморозков с пульта (ПУ) управления 1 подается команда на включение теплогенератора 8, который соединён носовой частью с контролером и распределительным трубопроводом 12 системы орошения, и теплый воздух подается через водовыпуски в почву (при внутрипочвенном орошении), на поверхность почвы (при капельном орошении), через насадки МДД для регулирования микроклимата. Для обогащения растений элементами питания в системе орошения предусмотрен гидроподкормщик 6 с резервуаром для смешивания жидких удобрений, и растворенные в поливной воде удобрения попадают в корневую систему растений, или на их листовую поверхность.
Для функции обогащения поливной воды предусмотрен смеситель, в котором вода при смешивании активируется с кислородом или углекислым газом, в зависимости от решаемой задачи исследования.
Выводы. Анализ выше изложенных исследований по разработке дополнительных функций в стационарных системах орошения трубопроводного типа показал, что изыскания велись в правильном направлении. Опытным путем была доказана целесообразность данного направления. Цель и задачи исследований по разработке универсальной системы орошения с производством дополнительных функций для управления физиологическим процессом при выращивании многолетних насаждений и агрофитоценозов с регулированием гидротермического режима решены положительно. Расширение функциональных возможностей на стационарных оросительных системах – это путь к совершенству современной модернизации мелиорируемых земельных площадей. Предложено теоретическое и научное обоснование технологических приемов комплексного регулирования агрофитоценоза, для повышения природно-ресурсного потенциала новых конструкций гидромелиоративных систем и автоматизированных комплексов.
