CC BY
45
УДК 631.4
К ВОПРОСУ О ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОГО РЫХЛЕНИЯ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ
TO THE PROBLEM OF TECHNIQUE AND DEEP TECHNOLOGY ROLLING THE SLOPE LAND
С.А. Васильев1, доктор технических наук, профессор
П.В. Константинов2, соискатель С.Н. Мардарьев3, кандидат технических наук, доцент С.П. Зайцев3, кандидат технических наук, доцент
S. A. Vasiliev1, P. V. Konstantinov2, S. N. Mardariev3, S. P. Zaitsev3
'ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет»,
г. Княгинино
2ООО «Сервис Промышленных Машин» Концерн «Тракторные заводы», г. Чебоксары
3ФГБОУВО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия», г. Чебоксары
SBEI of Higher Education «Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics» LLC «Service of Industrial Machines» Concern «Tractor Plants» FSBEI of Higher Education «Chuvash State Agricultural Academy»
Рассмотрен вопрос о технике и технологии глубокого рыхления склоновых земель в рамках анализа известных технических средств и решений, позволяющих реализовать глубокое мелиоративное рыхление, и теоретических исследований подходов щелевания на склоновых землях. Для разуплотнения более глубоких слоев почвогрунта мелиоративные мероприятия практически не проводятся, поскольку ограничены выпуском серийных глубокорыхлителей. Приведены описание и принцип работы известных технических средств для глубокого рыхления, в результате анализа этих устройств выявлены недостатки в конструкторских решениях, ограничивающих создание и дальнейшее сохранение рыхлой структуры почвогрунта на склонах. Установлено, что на склонах создаются гравитационные условия для разрушения выше расположенного по склону относительно щели объема почвогрунта, размещенного в зоне деформации. Проведены теоретические исследования, определены варианты и причины разрушения этого объема почвогрунта и получено выражение для определения зависимости изменения веса элементарного объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона в диапазон 0...20 градусов, которая представлена в виде графика. Установлено, что при уклоне 5.20 градусов возникает высокая вероятность обрушения или сползания почвогрунта. Теоретические выкладки подтверждают практику применения глубокого рыхления в осенний период после первых заморозков, однако в весенний период, после промерзания и дальнейшего набухания почвогрунта из-за повышенной влажности, происходят неизбежные процессы разрушения почвогрунта на склоновых землях.
The article deals with the technology and technology of deep loosening of slope lands in the framework of analysis of known technical means and solutions that allow to implement deep meliorative loosening and theoretical studies of approaches to crevice on sloping lands. To decompress the deeper layers of the soil, reclamation measures are practically not carried out, since they are limited by the release of serial deep loosening tools. The description and principle of operation of the known technical means for deep loosening are described, as a result of the analysis of these devices, shortcomings in design decisions that limit the creation and further preservation of loose soil structure on the slopes are revealed. It has been established that on the slopes, gravitational conditions are created for the destruction of the volume of soil located above the slope with respect to the slit, located in the zone of deformation. Theoretical studies have been carried out, the variants and reasons for the destruction of this volume of soil have been determined, and an expression has been obtained for determining the dependence of the change in the weight of the elementary volume of soil that is prone to collapse, from the slope of the slope to the range 0 ... 20 degrees, . It is established that with a slope of 5 ... 20 degrees there is a high probability of collapse or slipping of soil. Theoretical calculations confirm the practice of using deep loosening in the autumn period after the first frosts, but in the spring, after freezing and further soil swelling due to high humidity, inevitable processes of soil destruction on sloping lands occur.
Ключевые слова: глубокое рыхление, щелевание, глубокорыхлитель, коэффициент внешнего трения, коэффициентом удельного прилипания, почвогрунт, склоновые земли.
Key words: deep loosening, crevice, deep loosener, coefficient of external friction, coefficient of specific adhesion, soil, slope.
Введение. Преимущества применения глубокого рыхления известны и раскрыты во многих научных трудах [1, 5, 9, 13]. Исследования по изучению процессов, связанных с глубоким рыхлением почвогрунта, показали, что такое действие вызывает изменение вторичного режима почв, способствует быстрому отводу верховодки из почвенных горизонтов в весенний период, наблюдается перераспределение запасов влаги в почвенном профиле, что в итоге обусловливает статистически достоверное увеличение урожайности сельскохозяйственных культур в период от одного года до четырех лет [13].
Очевидные преимущества глубокого рыхления еще больше проявляются на склоновых землях [5]. Агроландшафт склоновых земель представляет собой природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами. Поскольку он характеризуется экологической неустойчивостью, то для обеспечения его равновесного состояния должна выполняться система мелиоративных и экологических мероприятий на всей его площади.
В настоящее время агротехнические мероприятия по разуплотнению пахотного слоя и разрушению «плужной подошвы» до 40 см проводятся и для этого используются культиваторы-рыхлители и чизельные плуги [4]. Для разуплотнения более глубоких слоев почвогрунта от 50 до 80 см мелиоративные мероприятия проводятся реже, поскольку ограничены выпуском серийных глубокорыхлителей.
Материалы и методы. Обзор существующих технических средств для глубокого рыхления с возможным внесением удобрений и мелиорантов проводился по информационной базе ФИПС.
Учеными Туркменского сельскохозяйственного университета создано комбинированное техническое устройство [9] для обработки почвы и одновременного внесения жидких удобрений. Этот агрегат снабжён опорными колёсами, рамой, поперечной балкой с рабочими органами, ёмкостью для удобрений с заправочной горловиной, взаимодействующей посредством системы трубопроводов с выходными соплами. Это устройство позволяет улучшить качество приготовления раствора жидких удобрений и равномерности их внесения, снизить материалоёмкость системы, расширить функциональные возможности, повысить производительность и эффективность работы при обработке почвы, выполнять подкормку возделываемых культур.
В Оренбургском государственном аграрном университете разработано устройство для нарезки водопоглощающих щелей с одновременным мульчированием их соломой [14]. Орудие состоит из сварной рамы, щелереза, соломонаправителя, состоящего из двух граблин и соломозаделывателя в виде круглого диска, подвешенного на па-раллелограммном механизме. При начале движении агрегата по поверхности поля рама опускается, тем самым она заглубляет щелерез в почву, что приводит к образованию щели. При этом с помощью граблин происходит сбор соломы и подача ее на щель. Далее диск вносит солому внутрь щели.
Комбинированное орудие для глубокого рыхления почвы с внесением удобрений, разработанное в Московском государственном университете природообустройства [8], состоит из рамы с закрепленными на ней стойками и бака для удобрений. Такое
конструктивное исполнение позволяет снизить тяговое сопротивление орудия и обеспечивает за один проход орудия глубокое рыхление и внесение в почву удобрений, исключая при этом отрицательное воздействие на состояние окружающей среды.
Глубокорыхлитель навесной, разработанный Кубанским государственным аграрным университетом [7], предназначен для глубокого рыхления почвы и оснащен дополнительным приспособлением для выравнивания борозд за стойками рыхлителей и дополнительного крошения почвы на небольшую глубину до 20 см. При движении с трактором по полю лапы заглубляются на установленную глубину и рыхлят пласт почвы, обеспечивая вынесенным вперед долотом деформацию ее снизу вверх. Дополнительное приспособление для крошения почвы и выравнивания по всей ширине захвата обеспечивается барабанами с активно-пассивной расстановкой зубьев. После прохода такой машины почва имеет грубое крошение на глубине 20-65 см и мелкое - на глубине до 20 см, а также хорошо выровненную поверхность.
Результаты и обсуждение. Обзор технических средств глубокого рыхления показывает, что рассмотренные приспособления не обеспечивают эффективного накопления и сбережения почвенной влаги на протяжении прогнозируемого периода эксплуатации щели; ряд приспособлений не обеспечивает высокого качества обработки поч-вогрунта из-за забиваемости орудий; некоторые агрегаты имеют громоздкую форму и неудобны в применении, в процессе щелевания не учитываются агроландшафтные условия и параметры склоновых земель [6, 10].
Анализ существующих конструкций выявил основные особенности и недостатки технических средств, а также предопределил проведение теоретических исследований подходов щелевания почвогрунта. Как правило, при выполнении глубокого рыхления на склоновых землях создается щель, которая относительно вертикали располагается под некоторым углом, равным углу склона для обрабатываемого участка (рисунок 1 а). В процессе обработки почвогрунта образуется зона деформации, определяемая продольными и поперечными углами скалывания и критической глубиной резания Углы поперечного скалывания почвогрунта, по данным источника [3], меняются от 44 до 62 градусов при изменении глубины рыхления соответственно от 73 до 64 см. Таким образом, при щелевании на склоновых землях создаются гравитационные условия для разрушения вышерасположенного по склону относительно щели объема почвогрунта, размещенного в зоне деформации.
Причинами разрушения этого объема почвогрунта являются:
- гравитационные силы, под действием которых масса почвогрунта может сползать по границе зоны деформации (рисунок 1 б) или обрушиться по границе, приближенной к вертикальной трещине (рисунок 1 в);
- водный поток, движущийся по склону, попадает в щель путем инфильтрации через многочисленные трещины в зоне деформации, насыщая выше расположенный по склону объем почвогрунта, и по подстилающей поверхности сверху, размывая стенки щели и заполняя ее твердым и жидким стоком. Размыв верхней по склону стенки щели происходит под действием ряда сил и прогрессирует даже при малых расходах водного потока за счет «ТеароЪьэффекта, подробно изученного в работах Максимова В.И. [5].
Рассмотрим отмеченные процессы подробнее.
Согласно рисунку 1 б, движение массы почвогрунта в сечении БВО будет происходить по границе зоны деформации вниз под действием продольной составляющей силы тяжести Gпр . В обратную сторону действует сила трения, запишем условие равновесия:
О СОБ( = Gf Бтр, (1)
где р - относительный угол скалывания, градусы; f - коэффициент трения.
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 2 (50} 2018
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Относительный угол скалывания определяется по выражению:
ф = у - а, (2)
где у/ - угол скалывания, градусы; а - уклон склона, градусы.
Рисунок 1 - К расчету процессов сползания и опрокидывания почвогрунта
после щелевания склона
Откуда имеем соотношение:
ctgФ = f. (3)
Известно, что коэффициент трения для почв составляет: 0,25...0,35 - сыпучие песчаные и супесчаные; 0,50.0,7 - связанные песчаные и супесчаные; 0,35.0,50 - суглинистые; 0,40.0,90 - тяжелые суглинки и глины [3]. При глубоком рыхлении обрабатываются в большей степени тяжелые суглинки и глина, поэтому необходимо принимать значения от 0,50.0,8, которые соответствуют углам скалывания от 63.51 градусов. Уменьшение данных параметров будет способствовать быстрому началу движение массы почвогрунта.
Под действием силы тяжести также будет происходить обрушение почвогрунта, ограниченного сечением АВО, в виде его сползания и опрокидывания (рисунок 1 в). Проведем его расчет.
Определим вес вышерасположенного по склону объема почвогрунта длиной в 1 метр по щели:
G = уУ, (4)
где у - удельный вес почвогрунта, кг/м3; У - вес почвогрунта, м3.
ИЗВЕСТИЯ'
№ 2 (50), 2018
Объем почвогрунта можно определить по выражению:
OB2ltga
V = Sl =
2
(5)
где S - площадь треугольника АВО, м2; l - элементарная длина объема почвогрунта, равная 1 м. Согласно выражениям (4) и (5), получим уравнение:
OB 2ltga
G = у
2
(6)
По полученному выражению (6) построим график зависимости изменения веса объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона в диапазон 0...20 градусов (рисунок 2).
По зависимости изменения веса элементарного объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона, видно, что при уклоне от 5 до 20 градусов возникает высокая вероятность обрушения или сползания почвогрунта.
Поскольку площадь границы зоны деформации имеет существенные размеры, необходимо дополнительно учитывать прилипание влажного почвогрунта. При определенных условиях (влажность, температура и т.д.) трение и прилипание действуют совместно. При скольжении почвогрунта эти процессы проявляются одновременно в виде сопротивления скольжению, эту силу можно представить в виде суммы силы трения и силы прилипания.
G, Н
6000
5000
4000
3000
2000
1000
Теоретические условия применения трактора (более 20 градусов)
Высокая вероятность обрушения или сползания почвогрунта
G = 0.8153a2 + 245.17а + 4,3465
G = 0.6115а2 + 1Х3.88а+ 3,2598
а,
25 град.
♦- увлажненный почвогрунт (удельный вес - 2 кН/м ); - сухой почвогрунт (удельный вес - 1,6 кН/м3)
Рисунок 2 - Зависимость изменения веса объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона
Липкость проявляется лишь при определенной влажности (при относительной влажности бесструктурных почв - 40.50 % и структурных почв - 60.70 %) [2]. С увеличением влажности липкость сначала возрастает, а затем снижается. Поэтому сни-
жение сил трения и прилипания по границе зоны деформации почвогрунта во время весенне-осеннего периода объясняется повышенной влажностью и, возможно, образованием водной пленки в процессе инфильтрации атмосферных осадков и образования подпочвенного стока, что вызывает довольно быстрое сползание увлажненного объёма почвогрунта и закрытие щели.
Заключение. Таким образом, теоретические выкладки подтверждают практику применения глубокого рыхления в осенний период после первых заморозков, когда влажность почвогрунта на склоновых землях имеет оптимальные значения и определяется коэффициентом внешнего трения и коэффициентом удельного прилипания почвогрунта. Однако далее в весенний период, после промерзания и дальнейшего набухания почвогрунта из-за повышенной влажности, происходят неизбежные процессы, рассмотренные в статье.
В связи с этим необходимо выработать возможные меры для предотвращения этих процессов с целью сохранения и поддержания благоприятных условий для произрастания сельскохозяйственных растений, соблюдая требования органического земледелия. В то же время для повышения эффективности мелиоративных мероприятий на склонах важно оценить состояние склоновых земель (параметры склонов, размеры контуров, гидрологический режим, типы и разновидности почв, эрозионные процессы, хозяйственные условия месторасположения и др.) [11, 12] и применить когнитивные технологии, используя интеллектуальные сети и инструменты управления данными, что в целом обеспечит реализацию цифровой мелиорации склоновых земель.
Библиографический список
1. Алексеев, В.В. Гидрофизика почв в мелиорации [Текст]: монография / В.В. Алексеев, И.И. Максимов. - Чебоксары: Новое время, 2017. - 280 с.
2. Алексеев, В.В. Получение функциональной зависимости липкости почв от основных гидрофизических почвенных параметров [Текст]/ В.В. Алексеев, И.И. Максимов, С.А. Васильев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2014. - № 3 (40). - C. 63-67.
3. Бибутов, Н. С. Изучение деформации почвы в зависимости от основных параметров рыхлительной лапы [Текст]/ Н.С. Бибутов, А.Х. Хожиев // Молодой ученый. - 2016. - №2. - С. 127-129.
4. Васильев, А.А. Устройство для внесения в почву жидких мелиорантов при плоскорезной обработке [Текст]/ А. А. Васильев, С. А. Васильев // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т. 111. Ч. 1. - С. 181-183.
5. Васильев, С.А. Гидравлическая шероховатость склоновых агроландшафтов [Текст]/ С.А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов. - Чебоксары : Новое Время, 2014. - 210 с.
6. Васильев, С.А. Разработка методики проектирования противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах по допустимому смыву почвы [Текст]/ С.А. Васильев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2016. - № 5. - С. 48-51.
7. Глубокорыхлитель навесной [Текст]: пат. № 2360388 / Бойков Н.А., Лачуга Ю.Ф., Маслов Г. Г. [и др.] / опуб. 10.07.2009, бюл. № 19.
8. Комбинированное орудие для глубокого рыхления почвы с внесением удобрений [Текст]: пат. № 2500092 / Шмонин В.А, Теловов Н.К., Тойгамбаев С.К. Опуб. 10.12.2013 Бюл. № 34
9. Методы и машины для глубокого рыхления грунта с одновременным внутрипоч-венным внесением жидких органоминеральных удобрений [Текст] / А. Данатаров, С.Ч. Ашы-ров, К. Мухамметмырадов, С. Рустамов // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). - М.: Буки-Веди, 2012. - С. 141-143.
10. Методика проектирования компенсационных мелиоративных мероприятий с применением гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте [Текст]/ С. А. Васильев // Природообустройство. - 2016. - № 3. - С. 84-89.
11. Моделирование развития русла в подстилающей поверхности склоновых агро-ландшафтов [Текст] / И. И. Максимов, С. А. Васильев, В. В. Алексеев [и др.] // Почвоведение. -2016. - № 4. - С. 514-519.
12. Особенности применения противоэрозионных мелиоративных мероприятий на различных по форме склоновых агроландшафтах [Текст]/ С. А. Васильев // Природообустройство. - 2016. - № 4. - С. 86-92.
13. Разработка рабочего органа для внесения жидких мелиорантов в почву при плоскорезной обработке [Текст]/ С. А. Васильев, А. А. Васильев, И. И. Максимов [и др.] // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2014. - № 1. - С. 55-58.
14. Совершенствование технических средств для глубокого рыхления почвы [Текст]/ К. С. Потешкин, М. М. Константинов, А. Н. Хмура, Б. Н. Нуралин // Известия ОГАУ. - 2011. -№4. - С. 101-104.
Reference
1. Alekseev, V. V. Gidrofizika pochv v melioracii [Tekst]: monografiya / V. V. Alekseev, I. I. Maksimov. - Cheboksary: Novoe vremya, 2017. - 280 s.
2. Alekseev, V. V. Poluchenie funkcional'noj zavisimosti lipkosti pochv ot osnovnyh gidro-fizicheskih pochvennyh parametrov [Tekst]/ V. V. Alekseev, I. I. Maksimov, S. A. Vasil'ev // Agrar-naya nauka Evro-Severo-Vostoka. - 2014. - № 3 (40). - C. 63-67.
3. Bibutov, N. S. Izuchenie deformacii pochvy v zavisimosti ot osnovnyh parametrov ry-hlitel'noj lapy [Tekst]/ N. S. Bibutov, A. H. Hozhiev // Molodoj uchenyj. - 2016. - №2. - S. 127-129.
4. Vasil'ev, A. A. Ustrojstvo dlya vneseniya v pochvu zhidkih meliorantov pri ploskoreznoj obrabotke [Tekst]/ A. A. Vasil'ev, S. A. Vasil'ev // Trudy GOSNITI. - 2013. - T. 111. Ch. 1. - S. 181183.
5. Vasil'ev, S. A. Gidravlicheskaya sherohovatost' sklonovyh agrolandshaftov [Tekst]/ S. A. Vasil'ev, I. I. Maksimov, V. I. Maksimov. - Cheboksary : Novoe Vremya, 2014. - 210 s.
6. Vasil'ev, S. A. Razrabotka metodiki proektirovaniya protivojerozionnyh meliorativnyh tehnologij na sklonovyh agrolandshaftah po dopustimomu smyvu pochvy [Tekst]/ S. A. Vasil'ev // Melioraciya i vodnoe hozyajstvo. - 2016. - № 5. - S. 48-51.
7. Glubokoryhlitel' navesnoj [Tekst]: pat. № 2360388 / Bojkov N. A., Lachuga Yu. F., Maslov G. G. [i dr.] / opub. 10.07.2009, byul. № 19.
8. Kombinirovannoe orudie dlya glubokogo ryhleniya pochvy s vneseniem udobrenij [Tekst]: pat. № 2500092 / Shmonin V. A, Telovov N. K., Tojgambaev S. K. Opub. 10.12.2013 Byul. № 34.
9. Metody i mashiny dlya glubokogo ryhleniya grunta s odnovremennym vnutripoch-vennym vneseniem zhidkih organomineral'nyh udobrenij [Tekst] / A. Danatarov, S. Ch. Ashyrov, K. Muhammetmyradov, S. Rustamov // Tehnicheskie nauki v Rossii i za rubezhom: materialy II Mezhdunar. nauch. konf. (g. Moskva, noyabr' 2012 g.). - M.: Buki-Vedi, 2012. - S. 141-143.
10. Metodika proektirovaniya kompensacionnyh meliorativnyh meropriyatij s primeneniem gidrodinamicheskoj harakteristiki vodnogo potoka na sklonovom agrolandshafte [Tekst]/ S. A. Va-sil'ev // Prirodoobustrojstvo. - 2016. - № 3. - S. 84-89.
11. Modelirovanie razvitiya rusla v podstilayuschej poverhnosti sklonovyh agro-landshaftov [Tekst] / I. I. Maksimov, S. A. Vasil'ev, V. V. Alekseev [i dr.] // Pochvovedenie. - 2016. - № 4. - S. 514-519.
12. Osobennosti primeneniya protivojerozionnyh meliorativnyh meropriyatij na razlichnyh po forme sklonovyh agrolandshaftah [Tekst]/ S. A. Vasil'ev // Prirodoobustrojstvo. - 2016. - № 4. - S. 86-92.
13. Razrabotka rabochego organa dlya vneseniya zhidkih meliorantov v pochvu pri ploskoreznoj obrabotke [Tekst]/ S. A. Vasil'ev, A. A. Vasil'ev, I. I. Maksimov [i dr.] // Vestnik Sara-tovskogo gosagrouniversiteta im. N. I. Vavilova. - 2014. - № 1. - S. 55-58.
14. Sovershenstvovanie tehnicheskih sredstv dlya glubokogo ryhleniya pochvy [Tekst]/ K. S. Poteshkin, M. M. Konstantinov, A. N. Hmura, B. N. Nuralin // Izvestiya OGAU. - 2011. - №4. - S. 101-104.
E-mail: [email protected]
