Наведені оцінка й обґрунтування необхідності покращання структури штучного дощу з метою зменшення його негативного впливу на поливні ґрунти, а саме на погіршення їхніх водно-фізичних властивостей.

Україна належить до держав, зрошення земель у яких відіграє важливу роль при забезпеченні країни продовольством. Це зумовлено тим, що значна частина сільськогосподарських угідь знаходиться у зонах недостатнього та нестійкого природного зволоження, а отже, стале землеробство у цих регіонах можливе лише за умов зрошення.

На сьогодні площа поливних земель в Україні досягла 2,5 млн. га. Характерною ознакою зрошення є переважне (біля 95 %) застосування дощування, як одного з найбільш прогресивних способів поливу.

Дощування земель розвивалось як спроба знайти спосіб штучного зволоження ґрунту, наближеного до природного. Тому дощ, що утворюється при роботі тієї чи іншої дощувальної установки, порівнюють з природним дощем і, тим самим, визначають якість першого.

Одним із головних показників якості дощу вважають інтенсивність його випадання, тобто потужність шару води на площу поливу за одиницю часу.

У технічній і довідковій літературі при характеристиці дощувальних установок наводять середню інтенсивність дощу, що вимірюється як об'єм вилитої води за одну хвилину, поділений на площу ділянки, яка поливається дощувальним апаратом з однієї позиції.

Такий підхід при поливі дефлекторними й розпилюючими насадками дозволяє визначати дійсну середню інтенсивність. При поливі струменевими насадками й апаратами таке визначення не відповідає дійсності, оскільки площа поливу за хвилину значно менша за площу захвата, що враховується при визначенні середньої інтенсивності дощу установки. Проте, саме за середньою інтенсивністю дощу оцінюють придатність тієї чи іншої дощувальної установки для поливу земель у конкретних кліматичних і ґрунтових умовах.

Так академік О.М. Костяков відмічав [1], що середня інтенсивність дощу повинна відповідати поглинаючій здатності поливних ґрунтів. На легких за гранулометричним складом ґрунтах її значення не повинно перевищувати 1,0 мм/хв (1 л води на 1 м² площі за хвилину), на важких - 0,15…0,20 мм/хв.

На сьогодні у зрошуваному землеробстві дощ з інтенсивністю більше 0,50 мм/хв вважається небезпечним як для рослин (особливо молодих), тому що заливає поверхню ґрунту водою і забризкує мулом листову поверхню, так і для ґрунтів - руйнує їхню грудкуватість, кольматує ґрунтові шпарини, що призводить до ущільнення поверхневого шару ґрунтів, утворення іригаційної кірки. Усе це зменшує доступ повітря до надземних частин рослин і їхньої кореневої системи, знижує продуктивність зрошення земель.

Для порівняння характеристик природних дощів у табл.1 наведена класифікація їх за Гемфрисом [2].

Таблиця 1

Класифікація природних дощів за Гемфрисом.

З табл.1 видно, що інтенсивність природних дощів у більшості випадків є досить малою, хоча і не сталою за часом величиною і змінюється у досить широких межах. Іноді максимальні значення їхньої інтенсивності в окремі моменти у десятки разів перевищують середні значення. Інтенсивність природних дощів, як свідчать спостереження, зменшується по мірі збільшення часу їхнього випадання. Зливи інтенсивністю більше 1-2 мм/хв тривають не більше 10 хвилин та спостерігаються надзвичайно рідко. У більшості випадків природні дощі випадають інтенсивністю, що не перевищує середнього значення (не більше 0,1 мм/хв).

Другою визначальною характеристикою дощу є крупність його краплин. Розміри краплин одного і того ж дощу коливаються від 0,2 до 3,0 мм у діаметрі. Зазвичай найбільш крупні краплини випадають на початку дощів, особливо грозових. Маса крупних краплин при цьому не перевищує 0,2…0,3 грамів. Зі збільшенням діаметру краплин збільшується швидкість їхнього падіння від 0,75 до 4 м/с, і тільки при сильних дощах і зливах швидкість досягає 6…7 м/с.

Саме крупність краплин дощу й швидкість їхнього падіння здійснюють найбільший негативний вплив на ґрунти, зокрема, руйнують їхню структуру [3, 4]. Аналіз впливу різних видів дощу на поливні ґрунти (рис.1.) свідчить, що негативну дію на них чинять тільки сильні і зливові дощі. Помірні ж дощі створюють сприятливі умови, що забезпечує поновлення й покращання структури ґрунту (утворення ґрунтових агрегатів діаметром від 1,0 до 10 мм).

Рис.1. Вплив дощів на поливні ґрунти

Крім того, природні дощі випадають за хмарної погоди, пониженої сонячної інсоляції, охоплюють площу в десятки квадратних кілометрів. Після його закінчення рослини ще довгий час перебувають в умовах пониженої температури і підвищеної вологості повітря. Фізіологічно рослина встигає відреагувати на зміну навколишніх умов, пов'язаних з дощем. Також, природним дощам характерні висока рівномірність розподілення води по поверхні землі та помірна потужність падіння дощу на ґрунти.

Інша картина спостерігається при штучному дощуванні земель струменевими насадками. Вода на поле подається у вигляді дощу, що перетворюється зі стану водяного струменя у стан повітряної й ґрунтової вологи. Формування струменя дощу відбувається за рахунок низки факторів, основними з яких, є напір води, перетин струменя та кут вильоту його з насадку.

Принцип роботи всіх струменевих насадок один: формування далековідлітаючого, обертаючого навколо осі апарата струменю води, що деформується у процесі польоту за рахунок тертя з повітрям на роздрібнені водяні частини, які випадають у вигляді дощу.

Упровадження струменевих насадок викликано насамперед прагненням підвищення продуктивності праці на поливі та зменшення питомої довжини зрошувальної мережі. Це призвело до збільшення витрат води, необхідних потужностей та радіусу дії дощувальних установок, що, у свою чергу, погіршило структуру дощу. Зі збільшенням напору в дощувальних апаратах збільшується середній діаметр краплин дощу від апарата до найвищої точки траєкторії польоту струменя [2]. Після цієї точки середній діаметр краплин дощу дещо зменшується зі збільшенням напору. Підвищення напору впливає на рівномірність розподілення дощу, збільшує коефіцієнт рівномірності, але значення його не перевищує 0,7.

Що стосується перетину струменя, то зі збільшенням його площі діаметр краплин дощу зменшується до найвищої точки траєкторії польоту струменя, а за нею різко збільшується. Середній діаметр краплин дощу по площі розбризкування змінюється незначно.

Порівняння структури природних і штучних дощів (табл.2) показує, що останні за своєю якістю істотно відрізняються від природних. Значно збільшується миттєва інтенсивність та потужність падіння краплин, що погіршує фізичні властивості ґрунту.

Таблиця 2

Порівняння структури природних та штучних дощів.

Збільшені краплини дощу при падінні на поверхню поля руйнують грудочки ґрунту, розмивають їх. При намоканні грудочки збільшуються у своєму об'ємі. Через це збільшення та наступне стиснення при висиханні порушується зв'язок між частками й грудка легко розпадається. При цьому мілкі мулові частки у процесі переміщення води у глибину ґрунту вносяться у шпарини між більш крупних, ґрунт замулюється, погіршується його водопроникність, на поливній поверхні створюються калюжі й стоки, що призводять до іригаційної ерозії ґрунтів, їхньої деградації та втрати продуктивності.

Тільки при малій інтенсивності дощу ґрунт по глибині зволожується за рахунок його поглинальної здатності. При цьому на полі не створюються калюжі, поверхневі й глибинні стоки води, а помірне зволоження сприяє подрібненим часткам ґрунту знову згуртуватись у грудочки. Не спостерігається при цьому й утворення іригаційної кірки.

Для детального аналізу структури дощу і її впливу на поливні ґрунти нами прийнятий насадок "Роса-3", як найбільш продуктивний і розповсюджений для поливу (рис.2).

Рис.2. Дощувальний насадок "Роса-3" (серійний)

За технічною характеристикою насадок забезпечує витрату 7…8 л/с при середній інтенсивності 0,3.0,4 мм/хв. При рекомендованому робочому напорі 45 м радіус польоту водяного струменя досягає 32 м. Для забезпечення рівномірності покриття площі поливу дощем насадок обладнаний двома соплами для поливу (великим і середнім) і третім малим для забезпечення його обертання навколо осі.

Для проведення розрахунків у даній роботі аналізуємо утворення та якість розподілення дощу насадком “Роса-3" (рис.3).

Розбризкування води насадком по довжині польоту струменя проходить не однаково (рис.3, а), тому можна виділити дві зони:

1) зона від насадка до 0,75…0,80?R (R - радіус польоту струменя), що характеризується збільшенням до периферії відщіплення від струменя краплин води. При цьому, чим більший напір в апараті, тим відщеплення інтенсивніше і починається ближче від нього;

2) зона розбризкування залишку струменя після того, як струмінь досягне найбільшої висоти польоту.

Перша зона - зона ефективного поливу. Для забезпечення рівномірності розподілення дощу у цій зоні необхідно шар вилитої води збільшувати від насадка до периферії (рис.3, б). При цьому шар дощу в будь-якій точці поливу поділений на віддаль до насадка дорівнює середньому шару вилитої води, тобто.

, мм, (1)

а середня інтенсивність дощу за один оберт насадка буде дорівнювати

, мм/хв, (2)

де H₅, H₁₅, H₂₅, та r₅, r₁₅, r₂₅ - відповідно шари дощу та радіуси дії насадка (5, 15, 25 м).

У другій зоні шар вилитої води зменшується, а площі поливу збільшуються, що призводить до нерівномірності розподілення та недостатнього зволоження. Ці площі потребують перекриття дощем при поливі суміжними апаратами.

природний дощ струменева насадка

Рис.3. Розподілення води при дощуванні струменевим насадком “Роса-3”:

а) зони розподілення дощу; б) шар дощу та епюра його інтенсивності;

в) еліпс зволоження та розподілення миттєвої інтенсивності;

г) розподілення краплин дощу за діаметром.