Ресурсосберегающие технологии и технические средства орошения

Рисунок 12 Схема технологии создания модульной системы малообъемного орошения

Расчет элементов технологии капельного и внутрипочвенного орошения, микродождевания проводится по дефициту водного баланса d корнеобитаемого слоя почвы (Пособие к СНИП 2.06.03-85 «Капельное орошение», 1986г):

где - эвапотранспирация (транспирация растений и испарение с поверхности почвы), м³/га; - эффективные осадки, м³/га; - подпитывание расчетного слоя почвы подземными водами, м³/га.

Эвапотранспирация зависит от среднесуточных температур воздуха:

где - биофизический коэффициент (расход влаги за расчетный период на 1 ^оС), м³/га на 1 ^оС; - сумма среднесуточных температур за тот же период, ^оС.

Расход капельных водовыпусков подбирается в зависимости от водно-физических свойств почвы, а также суточного водопотребления культуры и уклона местности. Расход насадки для микродождевания назначается в зависимости от вида культур, водно-физических свойств почвы, климатических условий, требуемой площади увлажнения.

В таблице 6 представлены установленные расходы водовыпусков в зависимости от гранулометрического состава почвы. Гидравлический расчет оросительной сети ведется на максимальный расход, соответствующий интенсивности водоподачи при минимальном межполивном периоде.

Удельный расход при подаче установленной поливной нормы рассчитывается по эмпирической формуле:

где: - удельный расход, л/с на 1 га; - поливная норма, м³/га; 3,6 - переводной коэффициент; t- продолжительность полива, ч.

Таблица 6

Расход капельных водовыпусков для различных уклонов и гранулометрического состава почвы

Расход воды для площади одновременного полива определяется по формуле:

где: - расчетный расход, л/с; - КПД системы при капельном орошении, равный 0,95.

Доля площади, подлежащая увлажнению, рассчитывается по формуле:

где n - число водовыпусков; w - расчетная площадь увлажнения, м²; a b - схема посадки культур, м². При орошении пропашных культур резко возрастают показатели « n », «ab», а «S» стремится к единице.

Время подачи воды на одно растение определяется в зависимости от необходимой глубины промачивания почвенного профиля и скорости впитывания в почву. Ориентировочно время полива можно установить по зависимости:

где: - время подачи воды, ч; - необходимая глубина увлажнения, м; К- скорость промачивания, зависящая от водно-физических свойств почвы, м/ч. (для суглинистых почв 0,01...0,03, для легких почв до 0,10 м/ч).

Поливная норма при локальной подаче воды определяется по зависимости:

m_nt=100gh A_nt(w_FC-w_PW) (29)

h - глубина расчетного слоя почвы, м; g - плотность почвы, т/м³; A_nt - площадь увлажнения, м²; w_FC - наименьшая влагоемкость от массы абсолютно сухой почвы, %; w_PW - предполивная влажность почвы, соответствующая нижней границе оптимального увлажнения почвы, %.

Расчет элементов технологии низконапорных систем капельного орошения

В результате разработки и исследований новых систем капельного орошения предложена методика расчета их основных параметров. Низконапорная система капельного орошения работает за счет использования уклона местности, обеспечивающего в поливных трубопроводах постоянный ток воды при заполнении сечения трубы примерно на 2/3 диаметра. На рисунке 13 представлена эмпирическая зависимость пропускной способности поливного трубопровода от уклона его укладки. Предел наполнения трубопровода зависит от конструкции микроводовыпусков. Нижний предел наполнения определяется минимально допустимым расходом трубопровода в концевой части.

Равномерное распределение поливной воды между капельницами обеспечивает практически одинаковый напор в них, который равен сумме глубины наполнения трубопровода и высоты емкости водовыпуска.

Расход истечения жидкости из отверстия определяется по формуле:

где - подача воды, л/ч; 3,6 - переводной коэффициент; - диаметр водовыпускного отверстия, см; - глубина наполнения емкости, см.

Рисунок 13 Зависимость пропускной способности низконапорного трубопровода 1 - рассчитанная по формуле Шези при условии полного наполнения трубопровода; 2 - фактическая зависимость, полученная опытным путем

Теоретически заполнение поливного трубопровода может изменяться от 16 мм - при полном наполнении, до нуля - при полном его опорожнении. Однако нами установлено, что из-за пульсации потока воды в трубопроводе и возможной при этом утечки воды из воздушного отверстия, глубина заполнения трубопровода не должна превышать 0,7...0,8 внутреннего диаметра. Верхний предел наполнения трубопровода с внутренним диаметром 16 мм следует ограничить глубиной потока примерно 12мм. Минимальная величина заполнения, при которой микроводовыпуски работают в рабочем режиме, не должна быть меньше 2...3 мм. Минимальная величина транзитного (сбросного) расхода поливного трубопровода ограничивается показателем 5х10^-3 л/с или 18 л/ч. Это значение берется в качестве исходного для гидравлического расчета самонапорных поливных трубопроводов.

Таким образом величина подачи воды из водовыпусков самонапорного поливного трубопровода определяется диаметром водовыпускных отверстий и слоем воды над ними. Высота слоя воды над водовыпускным отверстием равна сумме высот низконапорной емкости и слоя воды в трубопроводе, которая для труб с наружним диаметром 20 мм (внутренний 16 мм) изменяется от 2...3 до 12 мм. Равномерность раздачи поливной воды между капельницами определяется по формуле:

где - равномерность, %; - средний, из 25 % минимальных, расходов капельниц, л/ч; - средний расход капельниц, л/ч.

Высокая равномерность раздачи поливной воды обеспечивается достаточной величиной напора воды в емкости. Для капельниц с высотой 32 мм построен график зависимости расхода от диаметра водовыпускного отверстия. Разность между предельно-допустимым и транзитным расходами является максимальной величиной путевого расхода

где - максимально возможный расход воды, выходящий через капельницы на полив, л/с; - предельно-допустимый расход в голове трубопровода, л/с; - минимально-допустимый транзитный (сбросной) расход, л/с.

В таблице 7 приведены обобщенные данные для поливного трубопровода, имеющего предельно-допустимые значения расхода в голове и транзитного расхода.

Таблица 7

Основные характеристики низконапорного поливного трубопровода и капельниц при различном уклоне его расположения

По расходу воды и схеме установки капельниц на трубопроводе определяется предельная длина трубопровода:

где - максимально возможная длина поливного трубопровода, м; - максимально-возможная длина поливного трубопровода, м; - расстояние между капельницами на трубопроводе, м; - расход капельниц.

Расчет технологии полива синхронным импульсным дождеванием.

При поливе синхронным импульсным дождеванием расход влаги сельскохозяйственным полем компенсируется ежедневно (Лебедев Г.В. 1969,1976, Носенко В.Ф., 1973), поэтому за расчетный уровень влажности почвы принимается величина:

где: - коэффициент, характеризующий рекомендуемый уровень влажности почвы при импульсном дождевании, он находится в пределах 0,4...0,6, соответственно для песчаных и глинистых почвогрунтов; - влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости почвы, % НВ; - допустимый порог иссушения почвы при обычном дождевании, % НВ, который колеблется от 0,50 до 0,85 в зависимости от водно-физических свойств почвы, культуры и фазы ее развития.

Расчетный удельный расход (гидромодуль) рассчитывается, исходя из условия компенсации среднесуточного дефицита водопотребления, затрат воды на формирование микроклимата и снос за пределы орошаемого участка:

где - удельный расход воды, л/с на 1 га; - норма водоподачи за расчетный период, мм; - продолжительность расчетного периода, сут; - коэффициент использования времени при круглосуточной работе системы, принимается равным 0,85...0,90, сут; - коэффициент, учитывающий агротехнические работы, обуславливающие периодическую остановку комплекта (обработка почвы, обработка растений химикатами, уборка и вывоз продукции), в зависимости от конкретных условий коэффициент меняется от 0,80 до 0,95.

Зависимость для определения поливной нормы при импульсном дождевании:

m=?E_v •T_n •K_n (36)

где - средний дефицит водопотребления за расчетный период, мм/сут; - продолжительность расчетного периода, сут; - коэффициент, учитывающий затраты воды на смачивание листьев, на формирование микроклимата и снос влаги за пределы орошаемого участка.

Расчет элементов технологии мелкодисперсного дождевания.

Технология мелкодисперсного дождевание предусматривает увлажнение наземной части растений в напряженные по температурным параметрам дни с переодичностью от 40 до 60 мин. несколько раз в день. С помощью мелкодисперсного дождевания обеспечивают регулирование микро- и фитоклимата, внесение удобрений для внекорневой подкормки, пестицидов, физиологически активных веществ, защиту растений от заморозков, возможность нанесения на листовую поверхность растений веществ, изменяющих их оптические свойства с целью искусственного увеличения их отражательной способности. При проведении мелкодисперсного дождевания нами для каждой климатической зоны определены поливные и оросительные нормы с учетом климатических показателей (таблица 8).

Таблица 8

Климатические показатели за вегетационный период

В качестве климатических показателей использованы статистические данные о количестве суток и количестве часов в сутках с температурой выше оптимальной для данной культуры в основные фазы ее развития. На основе исследований предложена зависимость для определения оросительной нормы:

Оросительная норма возделывания яровой пшеницы для лесостепной области определяется следующим образом:

где: - испаряемость (формула Иванова И.Н.), м³/га; - средняя температура воздуха за месяц, ^оС; - относительная влажность, %; - среднемесячные осадки, м³/га; - влажность почвы в начале вегетации, м³/га; - влажность почвы в конце вегетации, м³/га.

Разовую норму полива определяют для каждого массива орошения и культуры, и она представляет собой количество воды, которое разбрызгивается на листья растений (сплошное покрытие листовой поверхности каплями размером 100...500 мк). Полное испарение влаги с листовой поверхности происходит за 20...30 мин.

Зависимость для определения поливной нормы m при мелкодисперсном дождевании:

m = m_t't ' n_t (38)

m_t - разовая норма полива, м³/га; 't, n_t- соответственно количество суток и количество часов в сутках с температурой выше оптимальной для данной культуры в основные фазы ее развития.

Выбор конструкции системы малообъемного орошения осуществляется на основе анализа природных условий, биологических особенностей орошаемой культуры и необходимого для данных условий режима орошения. В соответствии с этими показателями определяется тип системы - капельное орошение, микродождевание, внутрипочвенное орошение, мелкодисперсное орошение, импульсное дождевание. Системы работают сезонно в постоянном режиме при последовательном переключении поливного тока на модульные участки, входящие в зону обслуживания оператора. Расход воды, подаваемый на площадь одновременного полива, должен соответствовать гидромодулю системы. Межполивной период и величина поливной нормы задаются, исходя из установленной глубины увлажнения. Система мелкодисперсного дождевания работает при t_воз.> t_{биол. доп.} и в зависимости от влажности воздуха.

Воздействие на окружающую среду является одним из критериев выбора системы малообъемного орошения. Все способы малообъемного орошения являются экологически безопасными способами орошения. Они практически полностью исключают поверхностный сток оросительной воды, предотвращают смыв почвы и вынос минеральных солей в водоприемники, снижают испарение с поверхности почвы и уменьшают развитие сорной растительности в междурядьях. При мелкодисперсном и импульсном дождевании также наблюдается повышение влажности воздуха в пределах орошаемого массива на 10-15 % и снижение температуры воздуха в приземном слое на 2-3^оС.

Информационное обеспечение для большинства рассмотренных способов полива одинаково и базируется на определении запаса влаги в корнеобитаемом слое и суточного расхода влаги полем, а также содержания питательных элементов. Подекадное определение температуры и влажности воздуха для мелкодисперсного, импульсного и подкронового дождевания.

Управление системами орошения. Для всех рассмотренных способов орошения система управления адаптивная человеко-машинная. Ее основу может составлять система датчиков влажности почвы, влажности и температуры воздуха, интенсивности солнечной радиации, содержания элементов минерального питания и солей в воде.

В основу создания систем малообъемного орошения положен модульный принцип и разработаны принципиальные схемы модульных участков. Осуществлена разработка распределительной сети необходимой для работы модульных участков различных способов малообъемного орошения. Модульная система орошения состоит из головного сооружения, системы распределительных и поливных трубопроводов с водовыпусками. В производственных условиях разработаны и апробированы принципиальные схемы модульных участков применительно к различным уклонам местности. При малообъемном орошении предлагается использовать поперечную схему полива. По этой схеме распределительные и поливные трубопроводы укладываются поперек, а участковые - вдоль склона. При уклонах 0,05 и менее подача воды осуществляется по принципу “снизу вверх”. При уклонах свыше 0,05 воду из источника орошения целесообразно подавать в верхнюю командную точку склона, где располагается головное сооружение.

Для гидравлического расчета трубопроводной сети систем микроорошения предложена методика, которая позволяет определять потери напора по длине поливных и распределительных трубопроводов. Расчет проведен по уравнениям напорного движения жидкости с переменным расходом. Диаметр поливных трубопроводов определяют гидравлическим расчетом в зависимости от уклона и удельной раздачи. Длину гладких тупиковых трубопроводов из полиэтилена с водовыпусками при удельном расходе 0,05...0,2 л/с на 100 м определяют по графику (рисунок 14).

1000i, м/км

L при q=0,2л/с на 100м

L при q=0,1 л/с на 100м

Lпри q=0,05л/с на 100м

Рисунок 14 Определение оптимальной длины «L» полиэтиленовых тупиковых трубопроводов при различном удельном расходе

Особенности технологии малообъемного орошения при возделывании различных сельскохозяйственных культур.

Особенности технологии орошения при капельном орошении и подкроновом дождевании при выращивании садовых культур. Орошение проводится в зависимости от фазы вегетации и проведения сельскохозяйственных работ. Учитывая, что оптимальными параметрами для развития плодовых культур и виноградников являются температура воздуха до 25⁰С и влажность почвы в корнеобитаемом слое не ниже 70...80% НВ, для этих культур во всех засушливых зонах обязателен осенний влагозарядковый полив, который производится после уборки урожая. Влагозарядковый полив там, где он не давался осенью, можно проводить весной или перед началом сокодвижения. Во время вегетационного периода для поддержания оптимальной влажности почвы на каждом этапе развития растений проводятся увлажнительные поливы, частота их проведения может быть ежедневной, или с разрывом в несколько дней. Подачу удобрений, когда это требуется по технологии возделывания культуры, можно совмещать с проведением поливов. Интенсивность водоподачи увеличивается в наиболее напряженные периоды вегетации с последующим постепенным снижением к фазе созревания плодов. В фазу накопления сахара в плодах необходимо полное прекращение поливов (таблица 9). Однако в условиях высоких температур и низкой относительной влажности воздуха растениям не хватает воды даже при достаточном количестве её в почве. Повышение относительной влажности воздуха в период формирования цветка способствует увеличению их количества и создает благоприятные условия для оплодотворения.

Особенности технологии орошения при мелкодисперсном дождевании в сочетании с традиционными способами полива, при выращивании озимой пшеницы. При возделывании озимой и яровой пшеницы на каждом этапе органогенеза необходимо поддерживать оптимальный уровень содержания влаги в почве. Для озимой пшеницы во всех засушливых зонах обязателен осенний влагозарядковый полив, а для яровой пшеницы - весенний влагозарядковый полив. В Нижнем Поволжье число вегетационных поливов колеблется для озимой пшеницы от 3 до 4, для яровой - от 4 до 5 (таблица 10). Оптимальная для формирования урожая пшеницы температура воздуха 20-24^оС. При низкой влажности воздуха имеет место частичная стерилизация цветения и, следовательно, снижение урожайности на 25-30%.

Особенности технологии орошения при импульсном дождевании при выращивании кукурузы. Режим орошения разработан в соответствии с оптимальной для развития кукурузы температурой воздуха 20-25^оС. Более высокая температура воздуха оказывает неблагоприятное воздействие на развитие растений. Повышение температуры более 25^оС и снижение влажности воздуха до 30% во время цветения приводит к потере жизнеспособности пыльцы. Поэтому улучшение фито- и микроклимата при ежедневных круглосуточных поливах синхронно в соответствии с водопотреблением растений системой импульсного дождевания приводит к повышению продуктивности посева и увеличению урожайности зерна на 15-20% (таблица 11).

Таблица 9

Распределение поливов при капельном орошении и подкроновом микродождевании при выращивании садовых культур в зависимости от фазы вегетации и проведения сельскохозяйственных работ

Таблица 10

Распределение поливов при мелкодисперсном дождевании в сочетании с традиционными способами полива при выращивании озимой пшеницы в зависимости от фазы вегетации и проведения сельскохозяйственных работ

Рассмотренные выше элементы технологий полива могут быть объединены между собой по: режиму и интенсивности водоподачи, поливным нормам и ресурсо- и энергосбережению. Технологические показатели, разработанные для модульных участков, представлены в таблице 12.

Таблица 11

Распределение поливов при импульсном дождевании при выращивании кукурузы в зависимости от фазы вегетации и проведения сельскохозяйственных работ

Таблица 12

Технологические показатели проведения поливов системами малообъемного орошения

Объединяющим показателем для систем малообъемного орошения является гидромодуль, величина которого имеет один и тот же порядок (0,8 л/с га). Это означает, что распределительная сеть для данных способов полива, может быть выполнена по единому образцу, а подключаемые к ней оросительные модули (технические средства полива) устанавливаются в зависимости от орошаемой культуры, типа почвы, климатических условий и рельефа.

Модернизация оросительных систем с использованием элементов систем малообъемного орошения. Существующие гидромелиоративные системы в связи с ограниченными возможностями финансирования в последние годы разрушаются и выходят из строя. Мелиорируемые земли переходят в разряд переувлажненных, подтапливаемых и малоплодородных земель, требующих окультуривания, коренного переустройства, реконструкции сооружений и возрождения деградированных земель с одновременным восстановлением мелиоративных систем на основе научных достижений за последний период. Федеральной целевой программой «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы» предусматривается проведение реконструкции оросительных систем на площади 160 тыс. га. Мелиоративные системы можно модернизировать за счет перевода, в ряде случаев, с одного способа орошения на другой (например, дождевальные системы перевести на капельное орошение или на мелкодисперсное дождевание) или заменить высоконапорные дождевальные машины. Рассмотренные варианты модернизации существующих дождевальных систем могут найти применение при осуществлении этих работ в тех случаях, когда оросительная сеть обладает достаточным запасом прочности и переход на другие технические средства или способы орошения экономически целесообразен. В зависимости от водопропускной способности реконструируемой сети используются продольная или поперечная (рисунок 15) схемы размещения трубопроводов с водовыпусками.

Рисунок 15 Типовые схемы размещения трубопроводов с водовыпусками

Для модернизации оросительных систем разработаны технологические схемы модернизации оросительной сети для дождевальных машин «Днепр», «Волжанка», «Фрегат» при применении капельного и внутрипочвенного орошения, мелкодисперсного дождевания.

Глава 5. Новые технические решения систем малообъемного орошения и конструкции водовыпусков.

В 5 главе представлены новые способы орошения и новые конструкции водовыпусков, разработанные с участием автора.

Для систем капельного орошения разработана низконапорная система. Принципиальной особенностью низконапорной системы является самонапорное движение воды (А.с. СССР, № 1304785 и пат. РФ №2075287). Для обеспечения рабочего режима движения воды поливные трубопроводы располагают по уклону местности в пределах 0,05...0,2 (рисунок 16). В головной части поливных трубопроводов устанавливают регулятор расхода, обеспечивающий расчетную подачу воды с самонапорным движением воды по поливному трубопроводу. Низконапорные водовыпуски выполняют в виде подвесных емкостей с выпускным отверстием в её дне. Высота такого водовыпуска 6 - 10 см, а размеры выпускного отверстия для подачи 8 л/ч воды составляют 1,5 - 2 мм. Для повышения равномерности распределения воды между капельницами допускается технологический сброс воды в конце поливных трубопроводов, который отводят в водосборно-сбросную сеть с последующим использованием её при поливе участков, расположенных ниже по склону или в короткую борозду для полива концевой части рядов.

Рисунок 16 Схема низконапорной системы капельного орошения 1-низконапорная капельница; 2- поливной трубопровод; 3- деревья; 4-шпалерная проволока; 5- шпалера; 6- гибкие патрубки; 7- зона увлажнения; 8- регулятор расхода

Головной узел низконапорной системы капельного орошения включает напорный резервуар, выполняющий функции создания давления для работы фильтрационного оборудования. После фильтра вода поступает в распределительный трубопровод первого порядка, уложенный по наибольшему уклону. В обе стороны от распределительного трубопровода отходят проложенные по наименьшему уклону через 100...300 м зональные распределители второго порядка диаметром 110...63 мм, длиной 300...400 м. Поливные трубопроводы в этом случае укладываются с заданным уклоном, обеспечивающим в них незаиляющую скорость движения воды. При низконапорном капельном орошении содержание взвешенных веществ в поливной воде не должно превышать 250...500 мг/л при крупности взвешенных частиц не более 0,5 мм. Суммарный расход микроводовыпусков и схем их установки у дерева должен обеспечивать увлажнение не менее 30 % площади питания растений. Продолжительность капельного полива устанавливают из расчета увлажнения активного слоя почвы. Для полива садовых культур с разреженной посадкой разработана низконапорная капельница, снабженная группой водовыпускных патрубков (патент №2075287), которая обеспечивает подачу воды одновременно к нескольким точкам полива с индивидуальной регулировкой расхода воды в соответствии с заданным режимом водоподачи (рисунки17,18.)

Рисунок 17 Низконапорная капельница 1-поливной трубопровод; 2-корпус; 3-дно капельницы; 4-калиброванное отверстие; 5- отверстие в дне капельницы; 6,7,8,9-градуированные патрубки; 10-гибкие патрубки; 11-крышка капельницы; 12-водовыпускное отверстие в поливном трубопроводе; 13- воздушное отверстие в поливном трубопроводе

Рисунок 18 Низконапорная система капельного орошения виноградника

Конструкция оросительной сети для полива склоновых земель (патент РФ №2215405) включает распределительный трубопровод и подключенные к нему поливные трубопроводы (рисунок 19). Поливные трубопроводы прикреплены к линейному элементу с положительным уклоном. Линейный элемент размещен между вертикальными опорами. Поливные трубопроводы оборудованы регуляторами расхода в начале и перепускными устройствами в конце и имеют воздуховыпускные и калиброванные водовыпускные отверстия, выполненные по всей длине трубопровода через заданный интервал. Каждый поливной трубопровод снабжен дополнительным линейным элементом, причем оба линейных элемента размещены между вертикальными опорами друг над другом в вертикальной плоскости с возможностью перемещения в этой плоскости. Поливные трубопроводы выполнены гибкими и снабжены фиксаторами, с помощью которых поливной трубопровод крепится к верхним и нижним линейным элементам.

Конструкция оросительной сети позволяет создавать оптимальный режим орошения с учетом конкретных условий орошаемого участка - качества оросительной воды, рекомендованных поливных норм, водно-физических свойств почвы, кроме того, благодаря безнапорному движению воды в трубопроводах не требует энергозатрат.

Рисунок 19 Оросительная сеть для полива склоновых земель 1-распределительный трубопровод, 2-гибкий поливной трубопровод, 3-регулятор расхода,4-перепускное устройство, 5- воздуховыпускное отверстие,6-калиброванное водовыпускное отверстие,7,8-фиксаторы, 9,10-линейные элементы (шпалерная проволока), 11- вертикальные опоры

Низконапорная система внутрипочвенного орошения предназначена для полива многолетних насаждений, в том числе сточными водами, на почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава преимущественно участков несложной конфигурации со слабоизрезанным рельефом и уклонами 0,05...0,2. В системе используется принцип самонапорной подачи воды в поливные трубопроводы, заложенные на глубине 0,4 м по уклону орошаемого участка. В них выполнены сквозные отверстия диаметром 12...14 мм; в верхней стенке трубопровода (воздушное) - для связи внутренней полости трубопровода с атмосферой, а в донной части - для подачи воды в очаговые увлажнители. При поливе вода через выпускные отверстия поливных трубопроводов заполняет очаговые увлажнители до уровня воды в трубопроводе. Таким образом, во всех очаговых увлажнителях поддерживается слой воды, определяемый гидродинамическим напором. Очаговые увлажнители выполнены в виде пористых емкостей диаметром 200 мм. Расход воды, поступающий через очаговый увлажнитель в почву, зависит лишь от поглотительной способности почвы и геометрических размеров пористых емкостей.

Для орошения сточными водами разработана конструкция системы внутрипочвенного орошения (пат. №2132125), включающая источник забора сточных вод, сеть распределительных и поливных трубопроводов, очаговых увлажнителей (рисунок 20).

Рисунок 20 Система внутрипочвенного орошения сточными водами 1 - распределительный трубопровод; 2 - регулятор расхода; 3 - поливной трубопровод; 4 - диафрагма; 5 - воздушная трубка; 6 - секции поливного трубопровода; 7 - перфорированные оросители; 8 - водонепроницаемый экран; 9 - колодец; 10 - сбросной трубопровод; 11 - поверхность почвы; 12 - крышка колодца; 13 - растение

Поливные трубопроводы в системе выполнены в виде секций труб, соединяющих очаговые перфорированные оросители, и уложенные с уклоном более 0,03. На входе в каждую секцию установлена диафрагма с воздушной трубкой, выведенной выше поверхности почвы. Перфорированный ороситель снабжен крышкой и водонепроницаемым экраном. Уклон трубопровода в сочетании с диафрагмой обеспечивают безнапорный поток воды, исключающий выпадение ила в осадок. Воздушная трубка обеспечивает аэрацию, что повышает скорость окисления органической части илистой взвеси. Сточные воды поступают в почву из очагового оросителя в зону расположения корней, что обеспечивает поддержание благоприятного водного, воздушного и пищевого режимов почвы.

Система микродождевания включает те же элементы, что и система капельного орошения. Тип распылителя, подача через него расхода воды и площадь увлажнения почвы определяются исходя из требуемой доли увлажнения поверхности почвы. Содержание взвесей в воде для роторных распылителей с радиусом действия более 1 м ограничивается 1 г/л, для центробежно-винтовых с радиусом действия менее 1 м - не более 500 мг/л. Максимально допустимая крупность взвешенных частиц для первых - 1 мм, для вторых - 0,5 мм. Минерализация поливной воды не должна превышать 2 г/л. При внесении в поливную воду химмелиорантов необходимо, чтобы взвешенные частицы нерастворившихся или частично растворившихся химикатов не превышали 500мкм.

Преимуществом конструкции микродождевателя перед капельницей является больший диаметр водовыпускного отверстия и, как следствие, меньшая их засоряемость, а также большая площадь увлажнения, что позволяет уменьшить количество водовыпусков на га. Основными недостатками дождевателей является то, что дождеватель увлажняет не только почву над корневой зоной, но и в междурядьях. С учетом этого разработан комбинированный дождеватель (заявка на изобретение № 2006136439/12 от 17.10.06), включающий стойку, подводящий шланг, корпус с подвижной головкой с совмещаемыми щелевыми прорезями и снабженный мелкодисперсным распылителем (рисунки 21,22).

Рисунок 21 Комбинированный дождеватель 1-дождеватель; 2- корпус; 3-подвижная головка; 4- щелевая прорезь; 5- прорезь в корпусе 2. 6, 7- винтовая резьба; 8- эластичное уплотнительное кольцо; 9- патрубок; 10- стойка; 11- подводящий шланг, 12- мелкодисперсный распылитель; 13- водовыпускное отверстие; 14 - выступы под специальный ключ

Рисунок 22 Комбинированный дождеватель при поливе молодого виноградника в режиме струйного дождевания

На наружной поверхности корпуса и внутренней поверхности подвижной головки выполнена винтовая резьба с шагом равным двойной ширине щелевой прорези в подвижной головке, при этом мелкодисперсный распылитель установлен на головке диаметрально щелевой прорези в головке и выше её на половину шага резьбы, а его водовыпускное отверстие направлено вертикально вверх.

Стационарная система мелкодисперсного дождевания состоит из тех же элементов, что и микродождевания, за исключением конструкции водовыпусков, которые выполняются в виде мелкодисперсных распылителей воды, установленных на высоких стойках над поверхностью растительной массы или внутри кроны деревьев. Спектр диаметра капель воды, оседающих на листовом покрове, находится в пределах от 100 до 800 мкм. Средний объемно-поверхностный диаметр капель - 300...500 мкм.

Поливная норма при проведении мелкодисперсного дождевания изменяется в пределах от 400 до 1200 л/га. Системы управления мелкодисперсным дождеванием обеспечивают возможность регулирования межполивного интервала в пределах от 0,5 до 2 час. Улучшение параметров микро- и фитоклимата, а также экономия оросительной воды достигается при использовании стационарной дождевальной установки для мелкодисперсного увлажнения листовой поверхности садовых культур (а.с. №1667740). Дождевальная установка позволяет уменьшить ожоги листовой поверхности и более экономно расходовать оросительную воду за счет увлажнения только ограниченного объема воздуха. Дождевальная установка мелкодисперсного дождевания состоит из подводящего трубопровода, мачты с основанием и установленными на мачте кольцевыми трубопроводами с распылителями. Распылители для дождевальной установки могут быть выполнены в виде щелевой насадки (пат. №2069106) с основными и дополнительными щелями, за счет которых увлажняется весь объем воздуха внутри кроны дерева.

Комплект системы синхронного импульсного дождевания рассчитан на орошение 10 га и включает в себя водозаборное сооружение, насосную станцию, узел приготовления удобрений, систему автоматизации управления поливом, ветрозащитные полосы, дороги, оросительную сеть и импульсные дождеватели. Оросительная сеть состоит из магистрального трубопровода, распределительной сети и поливных трубопроводов с дождевателями. Для повышения равномерности распределения воды по орошаемой площади и увеличения КПД дождевального аппарата предложен импульсный дождевальный аппарат гидротаранного типа (пат. №2155474).

Глава 6. Оценка экономической эффективности малообъемного орошения

Оценка экономической эффективности орошения с применением систем капельного орошения проведена на примере возделывания огурцов (по данным Волгоградского комплексного отдела ГНУ ВНИИГиМ). Используемая методика оценки эффективности инвестиционных проектов основана на разработках отечественных специалистов и на методологии оценки эффективности инвестиционных проектов UNIDO, широко применяемой в мировой практике. Рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов опираются на принципы, сложившиеся в мировой практике:

- необходимость моделирования потоков продукции, ресурсов и денежных средств;

- учет результатов анализа рынка, финансового состояния;

- определение эффекта путем сопоставления предстоящих инвестиций и будущих денежных поступлений при соблюдении требуемой нормы доходности на капитал;

- приведение предстоящих разновременных расходов и доходов к условиям их соизмеримости по экономической ценности в начальном периоде;

- учет инфляции, задержек платежей и других факторов, влияющих на ценность используемых денежных средств;

- учет неопределенности и рисков, связанных с осуществлением проекта.

Основная задача при оценке инвестиционного проекта сводится к описанию денежного потока, который следует ожидать при его осуществлении. Для сопоставления разновременных поступлений и платежей при инвестиционных расчетах используют метод дисконтирования. Дисконтирование - приведение будущих поступлений платежей к текущей стоимости (на момент принятия решения).

Как показали расчеты, инвестиции в установку системы капельного орошения являются эффективными по всем показателям, характеризующим эффективность инвестиционных проектов. Однако значения показателей значительно варьирует в зависимости от сочетания факторов водного режима почвы и уровня минерального питания. Наибольший размер чистого дисконтированного дохода обеспечивается при внесении дозы минерального удобрения N130P50K20 и поддержании предполивного порога влажности на уровне 90% НВ. Индекс доходности инвестиций составляет 2,27 при сроке окупаемости не более 2 лет.

Прибавка чистого дохода от изменения водного режима почвы от 70 до 90% НВ при той же дозе внесения минеральных удобрений составляет от 12 до 106 тыс. руб. за счет повышения урожайности с 34 до 66 т/га.

Оценка эффективности орошения синхронным импульсным дождеванием люцерны в Республике Таджикистан (на примере Колхозобадского животноводческого комплекса). Стоимость продукции производимой хозяйством определена по закупочным ценам мяса, произведенного с использованием кормов, выращенных при орошении синхронным импульсным дождеванием. В стоимость продукции включены издержки хозяйства, связанные с получением дополнительной продукции животноводства. Пересчет цен по отношению к ценам 1984 года проведен по нормативному коэффициенту равному 109.

Накопленный отток составляет 162тыс. руб/га, в том числе 123тыс. руб/га капитальные вложения. Чистый доход (сальдо денежного потока) 95тыс. руб/га, а прибавка чистого дохода 90тыс. руб/га.

Орошение кормовых культур на склоновых землях с помощью комплекта импульсного дождевания КСИД-10 позволяет получить высокую экономическую эффективность при расчете ее по конечной продукции животноводческих хозяйств мясного направления.

Выводы

1. Малообъемные способы орошения имеют большое значение для развития орошения в стране и наиболее эффективны при поливах различных сельскохозяйственных культур на землях, где другие способы орошения практически неприменимы (склоновые земли, недостаточное обеспечение водными ресурсами, близкое залегание грунтовых вод). Общими признаками этих способов являются проведение частых поливов, близких по объемам к суммарному расходу воды полем, поддержание влажности в корнеобитаемом слое почвы в заданных пределах в течение всего вегетационного периода, значительное снижение непроизводительных затрат воды на испарение, глубинный и поверхностный сброс. Построение оросительных систем на модульном принципе позволяет решать проблемы, связанные с рельефными, гидрологическими и микроклиматическими особенностями агроландшафтов.

2. Полученные теоретические закономерности формирования контуров увлажнения при капельном орошении и микродождевании на землях с различными уклонами местности подтверждены экспериментальными данными. Теоретические исследования по определению испарения при малообъемных способах орошения позволили получить зависимости для расчета водного баланса зоны аэрации. На основе проведенных иследований определены основные параметры систем малообъемного орошения: расход водовыпусков (при капельном орошении 4-20 л/час, при микродождевании, внутрипочвенном орошении и мелкодисперсном дождевании - 15-50 л/час, при импульсном дождевании - 700-800 л/час), количество водовыпусков (60-2000 шт/га в зависимости от способа орошения), среднеклиматический гидромодуль системы - 0,8 л/с·га.

3. Разработана технология создания модульных систем малообъемного орошения, включающая анализ исходных данных по природным условиям, расчет элементов технологии поливов, выбор системы малообъемного орошения. Разработанная технология включает требования к конструкциям систем и режиму орошения в зависимости от орошаемой культуры, геоморфологических условий местности, воднофизических свойств почвы, режима орошения с учетом природно-хозяйственных условий и особенностей техники полива.

4. Расчет элементов технологий капельного и внутрипочвенного орошения, микродождевания, синхронного импульсного и мелкодисперсного дождевания проведен на основе математической модели водного баланса зоны аэрации. Для низконапорной системы капельного орошения определены гидравлические параметры оросительной сети, длясистемы мелкодисперсного дождевания определены элементы техники полива для различных зон орошаемого земледелия, для системы импульсного дождевания определены эмпирические зависимости расчета расстояний между импульсными дождевателями и поливными трубопроводами на склоновых землях. Установлены особенности технологии малообъемного орошения при возделывании различных сельскохозяйственных культур и распределения поливов на примере капельного орошения, мелкодисперсного и импульсного дождевания.

5. Разработаны новые технические средства малообъемного орошения, том числе: низконапорные водовыпуски для полива садовых, кустарниковых и овощных культур снижающие требования к очистке оросительной воды (патенты РФ №2075287 и 2200561); водовыпуск для систем микродождевания (а.с. СССР №1568945); конструкции гидромелиоративных систем, обеспечивающие применение ресурсосберегающих технологий орошения (патенты РФ № 2064030, 2215405, 2173042); низконапорная система вакуумного орошения обеспечивающая равномерную подачу воды в почву в автоматическом режиме (патенты РФ №2119743 и 2152710); система внутрипочвенного орошения сточными водами обеспечивающая внесение сточных вод в подпахотный горизонт при аэрации потока (патент РФ №2132125); устройство для комбинированного микроорошения (патент РФ №2129775); импульсный дождевальный аппарат гидротаранного действия повышающий равномерность распределения воды по орошаемой площади (патент РФ №2155474); конструкции машин для мелкодисперсного дождевания (патенты РФ №2047288, 2172583, 2173043).

6. Предлагаемые способы малообъемного орошения позволяют не только повысить их экологическую безопасность, но и существенно снизить капитальные затраты на строительство. Напоры в оросительной сети систем малообъемного орошения по сравнению с дождевальными системами уменьшаются на системах локального орошения в 2...5 раз, импульсного дождевания в 1,5...2,0 раза, мелкодисперсного дождевания на 20...30%. Оросительные нормы при малообъемном орошении составляют 2000...2500 м³/га для сухостепной зоны, что обеспечивает снижение расхода воды по сравнению с обычным дождеванием на 40...50%. Урожайность сельскохозяйственных культур увеличивается на 20...25%.

7. Оценка экономической эффективности на примере выращивания огурцов в Волгоградской области показала, что наибольший размер чистого дисконтированного дохода при планировании урожайности - 60 т/га составляет 653 тыс. руб. Индекс доходности инвестиций составляет 2,27 при сроке окупаемости до 2 лет. Прибавка чистого дохода от изменения водного режима почвы с 70 до 90% НВ при одинаковой дозе внесения минеральн...