Температурний режим дерново-слабопідзолистого грунту в умовах поверхневого обігріву водонаповненими рукавами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ ДЕРНОВО-СЛАБОПІДЗОЛИСТОГО ГРУНТУ В УМОВАХ ПОВЕРХНЕВОГО ОБІГРІВУ ВОДОНАПОВНЕНИМИ РУКАВАМИ

Востріков В.П., к.т.н., докторант, Романюк І.В., асистент,

Пінчук О. Л., аспірант (Національний університет водного

господарства та природокористування, м. Рівне)

Анотація

Розглянуті питання впливу поверхневого обігріву на температурний режим грунту та приземного шару повітря. Наведені результати експериментальних досліджень поверхневого обігріву грунту.

Температурний режим ґрунту формується, як відомо, під впливом багатьох факторів, які умовно можна розділити на природні і антропогенні. До першої групи відносяться атмосферний клімат, характер і стан рослинного покриву, рівень ґрунтових вод, потужність і тривалість залягання снігового покриву, теплофізичні властивості самого ґрунту. До другої групи відносяться чинники, що обумовлені виробничою діяльністю людини і, перш за все, спеціальні заходи спрямовані на створення оптимальних умов для вирощування сільськогосподарських культур.

Температурний режим, разом з водним і поживним, являється одним із основних факторів досягнення повної ґрунтової родючості. Про виняткове значення температури говорить той факт, що вона відіграє одну з ключових ролей в житті рослини, в біологічних, мікробіологічних, геохімічних процессах, що протікають в грунті. Не менш важливе значення відіграє температура і в формуванні самого ґрунтового покриву.

Аналіз літературних джерел, в яких вивчався температурний режим ґрунтів, свідчить про те, що його параметри в умовах Західного Полісся України є далеко не оптимальними з точки зору забезпечення найбільш сприятливих умов для вирощування рослин, особливо, теплолюбних [1, 2]. Отримання ранніх урожаїв сільськогосподарських культур потребує розробки, наукового обґрунтування та створення спеціальних тепломеліоративних систем.

Поверхневий обігрів, як спеціальний тепломеліоративний захід, спрямований на покращення в першу чергу температурного режиму ґрунту, але разом з тим він здійснює одночасно вплив і на зміни у водно-повітряному, сольовому, поживному, біологічному режимах, які визначають розвиток і урожай сільськогосподарських культур. Тому вивчення умов формування температурного режиму грунту, являється однією з першочергових задач для дослідження ефективності тепломеліоративних заходів.

З метою вивчення умов формування температурного режиму грунту в умовах поверхневого обігріву була закладена та обладнана дослідна ділянка на землях з дерново-слабопідзолистими грунтами в межах Волинського Полісся України.

Досліди проводились в трьох основних варіантах:

1. Ділянка обігріву гнучкими теплообмінниками-рукавами (рис. 1);

2. Ділянка мульчування грунту чорною плівкою;

3. Контрольна ділянка - без обігріву.

Система обігріву ґрунту була виконана із рукавів шириною 0,6 м, довжиною 10 м, з отворами для висадки рослин діаметрами 0,2 м, розташованих у шаховому порядку на відстані 0,3 м один від одного. Параметри рукава підібрані із агротехніки вирощування суниць. Рукави виготовлені із стабілізованої поліетиленової плівки.

Підігрів води, що постійно циркулювала в рукавах, здійснювався електричним бойлером, подача регулювалась засувкою, розподіл та збір здійснювався ємностями за допомогою насосної установки. При цьому, з метою наближення досліджень до виробничих умов, в системі обігріву підтримували режим циркуляційних вод Рівненської АЕС. Температура води в системі змінювалась від 20 ⁰С до 35 ⁰С.

Температуру грунту вимірювали на поверхні: терміновими, максимальними і мінімальними термометрами; на глибинах 5, 10, 15, 20 см - термометрами Савінова (ТМ-5), а на глибинах 30, 40, 60, 80, 100, 140 і 250 см витяжними термометрами (ТПВ-50).

Рис. 1 Схема системи обігріву грунту гнучкими теплообмінниками-рукавами

1 - відвідний колектор;

2 - підвідний колектор;

3 - засувка;

4 - теплообмінник;

5 - канали для теплоносія;

6 - отвори для висадки рослин;

7 - рослина

Температурний режим ґрунту формується в результаті складного перерозподілу сонячної енергії на його поверхні та листовій поверхні рослин і, в кінцевому результаті, залежить від кількості тепла, що надходить та результатів тепломасообмінних процесів. В природних умовах це приводить до того, що в ґрунті створюється, як правило, одномірне температурне поле, яке змінюється тільки по глибині. Як показали дослідження [3,4] наявність в ґрунті лінійних джерел тепла, розташованих паралельно її поверхні або на визначеній глибині, створюють в ньому двомірну і навіть тримірну картину зі складним розподілом температур.

За результатами наших досліджень при поверхневому обігріві, навпаки створюється майже одномірне температурне поле. Сприяє цьому раціональна форма теплообмінника у вигляді плоского рукава.

Ефективність будь-якого тепломеліоративного заходу характеризується локальним і середнім об'ємним показником термічного ефекту. Локальний показник термічного ефекту (?Т) визначається за формулою 1 і характеризує зміну температури ґрунту на глибині Х в момент часу t у порівнянні з контрольним варіантом. Середній об'ємний показник термічного ефекту (?Т_ср.) характеризує зміну температури ґрунту, осередненої для деякого шару в момент часу t у порівнянні з контрольним варіантом і визначається за формулою 2 :

?Т(х,t) = Т (х, t) - Т_к (х, t), (1)

де: Т(х, t) - температура ґрунту при застосуванні тепломеліоративних заходів;

Т_к (х, t) - температура ґрунту в природних умовах.

?Т_ср.(х,t) = Т_ср. (х, t) - Т_{к ср.}(х, t), (2)

де: Т_ср.(х, t) - середня температура ґрунту при застосуванні тепломеліоративних заходів;

Т_к (х, t) - середня температура грунту в природних умовах.

Найбільший вплив обігріву спостерігається безпосередньо під теплообмінником у верхньому орному шарі ґрунту, тобто в зоні розташування кореневої системи рослин. Добовими спостереженнями встановлено, що підвищення температури орного шару ґрунту відбувається на 8...10 ⁰С та приземного шару повітря - на 2...3 ⁰С, а в умовах додаткового захисту плівковими укриттями тунельного типу відповідно на 12...14 ⁰С та 6...8 ⁰С.

Встановлено, що обігрів дозволяє підтримувати температуру кореневмісного шару у наближених до оптимального рівня значеннях і збільшити період активної вегетації сільськогосподарських культур на 30-35 днів, а за умов додаткового захисту укриттями - на 50-60 днів. Завдяки обігріву відбувається збільшення суми активних температур ґрунту в кореневмісному шарі на 1500...2000 ⁰С.

Рис. 2. Формування температурного поля ґрунту:

А - контрольна ділянка;

Б - ділянка обігріву рукавами;

В - ділянка мульчування чорною плівкою;

1 - рукав-теплообмінник;

2 - чорна плівка

Наші дослідження показали, що максимальний термічний ефект спостерігається під теплообмінником і складає 9,2⁰С. По середині між теплообмінниками цей ефект зменшується. Так, на глибині 5 см під теплообмінником величина термічного ефекту складає 6,1⁰С, а на глибині 20 см - 3,7⁰С, та по середині між теплообмінниками відповідно - 2,8⁰С та 0,7⁰С ґрунту. На ділянці мульчування термічний ефект під плівкою на глибині 5 см складає 0,8⁰ С, а на глибині 20 см - 0,3⁰С, та по середині між смугами плівки - 0,1⁰С. грунт поверхневий обігрів температура

При укритті плівкою максимальний термічний ефект спостерігається також безпосередньо під теплообмінником і складає 10,7⁰С, а на глибині 5 см - 8,8⁰ С та на глибині 20 см - 6,0⁰С, що відповідно на 1,5⁰С, 2,7⁰С та 2,3⁰С більше у порівнянні з відкритим обігріваючим ґрунтом. На ділянці мульчування під плівкою термічний ефект на глибині 5 см складає 1,3⁰С, а на глибині 20 см - 0,6⁰С, що відповідно більше на 0,5⁰С та на 0,3⁰С ніж при мульчуванні відкритого ґрунту.

Аналіз розподілу температур в ґрунті також показує, що максимальні градієнти температур мають місце в радіусі 15 - 20 см від теплообмінника - рукава, тобто зона максимальних градієнтів складає близько 18 - 20 % всієї площі в активному шарі ґрунту [5].

Різниця в середніх температурах при обігріві відкритого ґрунту (під теплообмінником) для шару 0...10 см становить 6,8⁰С, а для шару 0...20 см - 4,0 ⁰С та на ділянці мульчування (під плівкою) відповідно - 0,9⁰С та 0,7⁰С. Для шару 0...40 см вона зменшується до 1,6⁰С на ділянці обігріву рукавами та до 0,2⁰С на ділянці мульчування чорною плівкою.

Вище приведені дані свідчать про те, що поверхневий обігрів здійснює більший вплив на шари ґрунту, які розташовані під теплообмінником - рукавом, тобто в зоні розміщення кореневої системи. Так, для шару ґрунту 0...10 см об'ємний термічний ефект під теплообмінником більший на 4,8⁰С, а для шару 0...20 см - на 1,8⁰С у порівнянні із шаром ґрунту 0...40 см. На ділянці мульчування під укриттям термічний ефект для шару ґрунту 0...10 см більший на 0,7⁰С, а для шару 0...20 см - на 0,5⁰С у порівнянні також із шаром 0...40 см.

Важливе значення для оцінки температурного режиму ґрунту має формування його на протязі розрахункового періоду (березень - травень), а також добовий хід температури. Тепловий режим ґрунту в добовому циклі, в зв'язку з періодичністю надходження сонячного тепла, характеризується повільною зміною її температури від максимальних до мінімальних значень, величина яких змінюється з часом і глибиною.

В таблиці 1 приведений добовий хід температури ґрунту за варіантами досліду на поверхні ґрунту, а в таблиці 2 при укритті плівкою. Загальний характер зміни температури ґрунту на протязі доби, як на обігріваємій, так і на необігріваємій ділянці залишається однаковим. Максимальні температури ґрунту на всіх варіантах на глибині 5 см наступають в 16...18 годин і становлять для ділянки обігріву рукавами 24 - 25⁰С, а мінімальні в 7...8 годин і становлять 17 - 18⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 27 - 29⁰С та мінімальні - 19 - 20⁰С На ділянці мульчування максимальні температури ґрунту на глибині 5 см наступають в 16...18 годин і становлять 18 - 19⁰С, а мінімальні в 7...8 годин і становлять 12 - 13⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 20 - 21⁰С та мінімальні - 15 - 16⁰С. На контрольній ділянці максимальні температури ґрунту на глибині 5 см наступають в 17...18 годин і становлять 18 - 19⁰С, а мінімальні в 7...8 годин і становлять 12 - 13⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 19 - 20 ⁰С та мінімальні - 14 - 15⁰С.

На глибині 20 см максимальні температури ґрунту на ділянці обігріву теплообмінниками - рукавами наступають в 20...21 годину і становлять 19 - 20 ⁰С, а мінімальні в 9...10 годин і становлять 13 - 14 ⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 22 - 23 ⁰С та мінімальні 16 - 18 ⁰С. На ділянці мульчування на глибині 20 см максимальні температури наступають в 20...21 годину і становлять 15 - 16 ⁰С, а мінімальні в 9 - 10 годин і становлять 13 - 14 ⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 17 - 18 ⁰С та мінімальні 15 - 16 ⁰С.

Таблиця 1 Добові температури поверхні ґрунту, ⁰С

На контрольній ділянці максимальні температури ґрунту на глибині 20 см наступають в 20...21 годину і становлять 14 - 15 ⁰С, а мінімальні в 9...10 годин і становлять 13...14 ⁰С, а при укритті плівкою відповідно, максимальні - 16 - 17 ⁰С та мінімальні - 14 - 15 ⁰С.

Вплив обігріву на температуру поверхні ґрунту проявляється більше в ранні години, коли притік сонячної радіації відсутній. Це дуже важливо з точки зору захисту рослин від заморозків.

Необхідно відмітити, що починаючи з глибини 20 см термічний ефект хоча і не залишається постійним на протязі доби, але має більш стійкий характер.

Таблиця 2 Добові температури поверхні ґрунту при укритті плівкою, ⁰С

Вплив поверхневого обігріву найбільш помітно проявляється у березні місяці. Постійний потік тепла в системі обігріву перешкоджає проникненню від'ємних температур в грунт. На ділянці обігріву від'ємні температури в березні місяці, можна сказати були відсутні.

Процес теплообміну в системі „грунт - повітря” і направлення теплових потоків залежить від термоградієнтних умов в ґрунті. Для обігріваємого ґрунту характерно наявність максимальних температур в зоні розташування теплообмінника, тому динаміку внутрішньоґрунтових градієнтів необхідно розглядати для метрового шару ґрунту. Для цього були використані отримані нами середньомісячні значення температури ґрунту, профільний хід яких показаний на рисунку 3.

Рис. 3. Профільний хід середньомісячних температур обігріваємого і необігріваємого ґрунту

Рисунок 3 показує, що в березні місяці температури ґрунту на глибині 0...20 см на контрольній ділянці мають від'ємне значення тоді як на обігріваємій ділянці - температури порядку 11 - 13 ⁰С. Що ж стосується шару ґрунту 20...80 см то на контрольній ділянці температура ґрунту змінюється від -0,5 ⁰С до 3,5 ⁰С, а на обігріваємій ділянці - від 11 ⁰С до 8 ⁰С. Зовсім інша картина спостерігається в травні місяці, так в шарі ґрунту 0...20 см на контрольній ділянці температура становить 21 - 20 ⁰С, а на ділянці обігріву - 34 - 31 ⁰С. В шарі 20...80 см на контрольній ділянці температура ґрунту становить 20 - 16 ⁰С, а на ділянці обігріву - 32 - 26 ⁰С.

Аналіз даних свідчить про те, що при більш високій температурі ґрунту (20...25 ⁰С) в ранньовесняний період створюються оптимальні умови для проростання і росту більшості сільськогосподарських культур.

Обігрів ґрунту за допомогою теплообмінників з використанням теплої води, хоча і не може створити у верхньому кореневмісному шарі ґрунту температури порядку 20 - 25 ⁰С відразу після запуску системи, але уже в кінці березня на початку квітня (рис. 5) сприяє підвищенню його температурного режиму вище 10 ⁰С, а в середині квітня вище 15 ⁰С. В той час як на контрольній ділянці температура ґрунту досягає 10 ⁰С тільки в кінці квітня, а 15 ⁰С - в середині травня.

Збільшення періодів нагрівання ґрунту і підвищення абсолютних значень температур в ці періоди приводить до збільшення сум температур ґрунту (табл. 3).

Таблиця 3 Суми температур ґрунту на глибині 20 см вище 5, 10, 15 і 20⁰ за варіантами досліду, ⁰С

Як видно з табл. 3 найбільш ефективним варіантом є обігрів теплообмінниками - рукавами. Різниця температур ґрунту на глибині 20 см під теплообмінником у порівнянні з контролем була 974 ⁰С, а по середині між теплообмінниками - 466 ⁰С та на ділянці мульчування (під плівкою) - 78 ⁰С.

Збільшення безморозного і вегетаційного періоду приводить до накопичення в ґрунті більше тепла і відповідно приводить до збільшення суми температур ґрунту. Дати стійкого переходу температур ґрунту через 10 ⁰С - 15 ⁰C являються показниками початку і кінця періоду активної вегетації сільськогосподарських культур.

В умовах обігріву ґрунту з підвищенням температури її верхніх шарів необхідно очікувати зміни і в приземному шарі повітря. Спостереження за температурою повітря проводили в процесі проведення цілодобових спостережень за температурою ґрунту. Вплив обігріву відкритого ґрунту на температуру повітря аналізувався шляхом порівняння обігріваємої і необігріваємої ділянки (таблиця 4).

Наведені вище результати спостережень за температурою ґрунту та повітря свідчать про те, що поверхневий обігрів відкритого ґрунту суттєво впливає не тільки на температурний режим кореневмісного шару ґрунту, а й значно може підвищувати температуру приземного шару повітря. Тому з цією метою необхідно додатково застосовувати плівкові укриття, які дозволяють підвищити не тільки температурний режим кореневмісного шару ґрунту але й гарантовано приземний шар повітря.

Між температурою ґрунту на глибині 0,05; 0,1 і 0,2 м, температурою атмосферного повітря і води в теплообміннику встановлено тісний зв'язок у вигляді лінійних залежностей (таблиця 5).

Отриманими залежностями можна користуватись в практичних розрахунках для попереднього прогнозування температурного режиму ґрунту в умовах поверхневого обігріву та визначення дат переходу температур ґрунту через певні граничні значення (0 ⁰С, 5 ⁰С, 10 ⁰С, 15 ⁰С).

Таблиця 4 Середньодобові температури повітря на різних висотах, ⁰С

Таблиця 5 Залежності температур грунту з обігрівом і відкритого ґрунту без обігріву (t_гр) на різних глибинах від температури повітря (t_пов) і води (t_в) в рукавах

Експериментальними спостереженнями за температурою ґрунту і повітря встановлено, що обігрів ґрунту рукавами, в яких циркулює тепла вода з температурою 25...35 ⁰С, підвищує температуру орного шару на 8...12 ⁰С, приземного шару повітря без додаткових укриттів на 2...3 ⁰С удень і 3,5...4,5 ⁰С уночі, а в умовах додаткового захисту плівковими укриттями на 12...16⁰С в ґрунті та 7...11 ⁰С у повітрі, що підтвердило теоретичні розрахунки.

Обігрів рукавами дозволяє період активного використання ґрунту розпочати раніше навесні на 30-35 днів для відкритого ґрунту і на 50-60 днів для захищеного укриттями ґрунту, сприяє збільшенню сум позитивних температур в орному шарі ґрунту за весняний період на 1500...2000⁰С. Між температурами ґрунту, повітря і води в рукавах встановлено тісні лінійні залежності.

Література

1. Востриков В.П. Формирование гидротермического режима осушаемых почв при круглодобовом обогреве осушаемых почв сбросными теплыми водами електростанций. Автореф. дисс….канд. техн. наук :- Москва.: 1986.- 23 c.

2. Веремеенко С.И. Влияние обогрева осушаемой дерново - слабоподзолистой почвы на ее процесы, урожай с/х культур и его качество. Автореф. дисс….канд. с.-х. наук : - Киев. 1986.-18 с.

3. Иоффе И.А. Некоторые особенности стационарного температурного поля в обогревательной почве.- Сб. трудов по агрономической физике. -Л., -1971, в.30, с.44-51.

4. Skagss R.W. Use of Waste heat for soil warming in Noth Carolina. -Trans ASAE, St. Joseph., Mich., -1976, V.19, №1, p.159-167.

5. Романюк І.В., Востріков В.П. Методологічні аспекти та результати проведення експериментальних досліджень обігріву грунту скидною теплою водою//Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць. Випуск 4(23). - Рівне, 2003. с. 76-82

6. Романюк І.В. Теплова меліорація грунту скидною теплою водою за допомогою системи з теплообмінниками-рукавами. Автореф. дис….. канд. техн. наук. - Рівне: 2007. - 20 с.

7. Романюк І.В., Востріков В.П. Способи та технічні засоби обігріву ґрунту скидними теплими водами промислового виробництва. Збірник наукових праць. -Рівне. -2002.-с.124-132.

Размещено на Allbest.ru