Подбор оптимального состава композиции из структурообразующих материалов для борьбы с ирригационной эрозией Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 631.459:631.434.6 UDC 631.459:631.434.6

ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА SELECTING THE OPTIMAL COMPOSITION

КОМПОЗИЦИИ ИЗ СТРУКТУРООБРАЗУЮ- OF STRUCTURE-FORMING MATERIALS TO

ЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БОРЬБЫ С ИРРИ- CONTROL IRRIGATION EROSION

ГАЦИОННОЙ ЭРОЗИЕЙ

Нозадзе Леван Резоевич Nozadze Levan Resoy evich

м.н.с., аспирант junior researcher, postgraduate student

ФГБНУ «РосНИИПМ» г. Новочеркасск, Россия Russian Research Institute of Land Improvement Prob-

lems, Novocherkassk, Russia

В статье для борьбы с ирригационной эрозией To control irrigation erosion, the artificial aggregation

предложено использовать искусственное острукту- of soil by structure-forming materials was proposed in

ривание почв с помощью структурообразующих the article. The research was conducted for establish-

материалов. Проведены исследования по выявле- ing the impact of the percent content of each fraction

нию влияния процентного содержания фракцион- on soil cation exchange capacity

ного состава каждого из компонентов на емкость поглощения почвы

Ключевые слова: КОМПОЗИЦИЯ, МЕЛИОРАНТ, Keywords: COMPOSITION, SOIL AMENDMENT,

СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЬ, ГРАНУЛЫ, STRUCTURE-FORMING MATERIAL, GRAN-

ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ, ИРРИГАЦИОННАЯ ULES, FRACTIONAL CONTENT, IRRIGATION

ЭРОЗИЯ EROSION

Одной из главных экологических проблем земледелия Ростовской области является истощение почв. Это связано с тем, что вынос питательных веществ из почв с урожаями сельскохозяйственных культур лишь на 20-40 % компенсируется за счет удобрений. По сравнению с 1990 годом в несколько раз сократилось применение минеральных удобрений, а органических - в 17-20 раз. Диспаритет цен на сельскохозяйственную продукцию и удобрения делает непосильным их приобретение многими сельхозтоваропроизводителями. Также под воздействием плоскостной эрозии происходят процессы выноса органических и минеральных удобрений из почв с образованием поверхностных стоков [1].

В связи с этим возникает вопрос о поисках альтернативных источников элементов питания и средств для улучшения свойств почв из местных природных ресурсов и техногенного сырья. В Ростовской области к числу наиболее распространенных местных материалов относятся бентонитовая глина, терриконовая порода и известняк-ракушечник. Положительный опыт применения данных материалов имеется на черноземах южном и обыкновенном.

Для защиты почв от водной эрозии нами предлагается использовать в составе противоэрозионного комплекса такое мероприятие, как искусственное оструктуривание почвы с помощью композиции из структурообразующих материалов, состоящей из: терриконовой породы, бентонитовой глины, известняка-ракушечника, керамзитового отсева, разработанной сотрудниками ФГБНУ «РосНИИПМ». Оптимальный состав структурообразующих материалов: терриконовая порода - 10 %, бентонитовая глина -30 %, известняк-ракушечник - 55 %, керамзитовый отсев - 5 % [2].

Известно, что максимальный эффект по оструктуриванию почвы в результате применения композиции из структурообразующих материалов можно достичь за счет подбора оптимального фракционного состава. Для решения данной задачи нами были проведены исследования по выявлению влияния процентного содержания фракционного состава каждого из ее компонентов на емкость поглощения почвы.

Так по результатам проведенных исследований и на основании априорной информации установлено, что на емкость поглощения почвы существенное влияние оказывают все компоненты композиции [3]:

- бентонитовые глины, которые обладают высокой связующей способностью и водопоглощаемостью, увеличивают почвенную емкость поглощения нитратов и способствуют предотвращению их вымывания;

- терриконовая порода, отличительным признаком которой является содержание в ней кальция, железа, серы, что при внедрении в почвеннопоглотительный комплекс благоприятно влияет на оструктуривание почвы и тем самым увеличивает влагоемкость почвы, делают ее более водопроницаемой;

- известняк-ракушечник обогащает почвы коллоидными частицами, увеличивает ее влагоемкость, улучшает механическую структуру почвы, влажность и аэрируемость;

- керамзитовый отсев, который получают путем обжига легкоплав-

кой глины, имеет пористую структуру, легко впитывает воду и отдает влагу, если в почве ощущается ее недостаток.

Далее проведем исследования по выявлению оптимального фракционного состава каждого из компонентов композиции.

Подбор размера гранул бентонитовой глины.

При использовании бентонитовых глин в качестве компонента сорбент-мелиоранта фракционный состав ее рассматривается как трехкомпонентная система, состоящая из трех фракций: первая - с размером частиц от 0,315 до 1,5 мм; вторая - от 1,5 до 2,5 мм и третья - от 2,5 до 5 мм. Для такой системы можно построить треугольную диаграмму типа «состав-свойство» методом планирования эксперимента с использованием сим-плекс-решетчатых планов Шеффе [4], если относительное содержание в общем количестве гранул каждой из трех указанных фракций рассматривать как одну из переменных xi при выполнении условия:

2 Xi = 1, xi > 0. (1)

1<г<3

Для трехкомпонентных смесей используется симплекс в виде правильного треугольника. Каждой точке такого симплекса соответствует смесь определенного состава, и наоборот, любой комбинации относительных содержаний (от 0 до 1) каждого из трех компонентов смеси соответствует определенная точка симплекса.

Если изучаемая трехкомпонентная смесь удовлетворяет условию (1), симплекс-решетчатые планы Шеффе позволяют в результате постановки сравнительно небольшого числа опытов получать математические модели изучаемой функции отклика в виде так называемого приведенного полинома, который позволяет построить требуемую диаграмму «состав-свойство». Для изучения влияния неоднородности гранул бентонитовых глин на емкость поглощения были выбраны пределы варьирования содержания отдельных фракций с учетом их фактического колебания в Тарасов-

ском месторождении по данным многолетних наблюдений: относительное содержание первой фракции (x1) - 0,2...0,6; второй фракции

(x2) - 0,3...0,7; третьей фракции (Xз) - 0,1.0,5.

Поскольку при такой постановке задачи не выполняется условие (1), исследованию подлежит не весь симплекс, а только некоторая симплексная подобласть. Для построения диаграммы «состав-свойство» на выделенной симплексной подобласти необходима ее предварительная трансформация путем перехода к новой системе координат (z1, z 2, z3).

Если в трехкомпонентной системе все переменные имеют нижние границы (в нашем случае x1 > 0,2; x2 > 0,3; x3 > 0,1), то подобластью является равносторонний треугольник, стороны которого параллельны сторонам обычного симплексного (концентрационного) треугольника. Приняв вершины выделенной треугольной подобласти за самостоятельные компоненты (псевдокомпоненты), для подобласти получим:

где i - любая точка подобласти.

Относительно новых переменных z1, z 2, z3, удовлетворяющих условиям (2) могут быть использованы любые планы, применяемые при исследовании полного симплекса. Однако реализация экспериментов по таким условным планам, построенным в системе координат псевдокомпонентов, невозможна. Для проведения экспериментов необходимо задать условия проведения каждого опыта в координатах реальных исходных компонентов X.

Трансформирующая зависимость между координатными системами (x1, x2, x3) и (z1, z 2, z3) в общем виде задается матричным уравнением:

В нашем случае при указанных выше ограничениях переменных

0<z^ < 1, (г = 1,2,3),

z1(u) + z 2и) + z3u) = 1,

(2)

х = А ■ z.

(3)

трансформирующие соотношения будут выглядеть как:

х -0,2 х2 -0,3 х3 -0,1 ...

^ =-------1-----------; z2 =------2--------; z3 =--------------------3-. (4)

1 1 - (0,2 + 0,3 + 0,1) 2 1 - (0,2 + 0,3 + 0,1) 3 1 - (0,2 + 0,3 + 0,1)

Таким образом, матрица планирования для локальных симплексов, характеризующих изучаемую симплексную подобласть, состоит из двух частей: с одной стороны экспериментальные точки даются в координатах псевдокомпонентов, что позволяет с использованием известных формул симплекс-решетчатых планов определить коэффициенты приведенного полинома, но с переменными zi вместо х1; с другой - координаты этих же экспериментальных точек приводятся в исходных координатах хг, чтобы можно было составлять реальные смеси с натуральными компонентами.

Используя трансформирующие соотношения (4), можно перейти от приведенного полинома в псевдокомпонентах к полиномиальной модели исследуемой системы в исходных координатах, более удобной для практических расчетов.

С учетом изложенного решалась задача изучения влияния неоднородности бентонитовых глин по гранулометрическому составу на емкость поглощения.

В качестве отклика была принята емкость поглощения бентонитовых глин, которая определялась из условия обеспечения адсорбционной способности по результатам двух дублирующих опытов в каждой точке плана.

В таблице 1 представлены матрицы планирования в псевдокомпонентах zi и в исходной системе координат хг.

Таблица 1 - Композиционное планирование эксперимента

№ План План в исходных От-

опыта в псевдокомпонентах компонентах клики

*1 *2 *3 х1 Х2 Х3 Уі

1 1 0 0 0,60 0,30 0,10 У1

2 0 1 0 0,20 0,70 0,10 У1

3 0 0 1 0,20 0,30 0,50 У1

4 0,5 0,5 0 0,40 0,50 0,10 У12

5 0 0,5 0,5 0,20 0,50 0,30 у23

6 0,5 0 0,5 0,40 0,30 0,30 у13

7 0,333 0,333 0,333 0,34 0,43 0,23 у 123

8 0,167 0,666 0,167 0,15 0,25 0,60 У8

9 0,666 0,167 0,167 0,40 0,45 0,15 У9

10 0,167 0,167 0,666 0,25 0,45 0,30 У10

Особенностью представленного в таблице 1 планирования эксперимента является его композиционность, учитывающая принцип «максимальной простоты» [4]. В данной таблице первые три опыта, соответствующие координатам вершин симплексного треугольника в псевдокомпонентах іі (рисунок 1), дают возможность получить линейную модель функции отклика вида:

у = Е р • ^. (5)

1<і<3

В случае неадекватности модели по ґ -критерию ставятся дополнительное три опыта в точках №№ 4, 5, 6. Совокупность полученных в опытах точек соответствует симплексному плану для получения квадратичной модели вида:

У = Р1*1 + Р2*2 + р3*3 + Р12 *1*2 + р13*1*3 + Р23 *2*3 . (6)

Расходы бентонитовой глины при изготовлении композиции из структурообразующих материалов, вычисленные в соответствии с относительным содержанием размеров гранул по плану в исходных компонентах X, а также результаты реализации плана эксперимента, приведены в таблице 2.

Рисунок 1 - Диаграмма зависимости емкости поглощения от размера

гранул бентонитовой глины

Таблица 2 - Условия и результаты эксперимента

№ опыта по плану Расход гранул бентонитовой глины, т/га (составляет 30 % в составе композиции) Емкость поглощения, мг-экв./100 г

0,315-1,5 мм 1,5-2,5 мм 2,5-5 мм

1 864 432 144 170

2 288 1008 144 270

3 288 432 720 280

4 576 720 144 262

5 288 720 432 267

6 576 432 432 248

7 480 620 340 145

8 216 360 864 179

9 576 648 216 194

10 360 648 432 271

Обработка экспериментальных данных по результатам первых трех опытов дала линейную модель вида:

у = 170 + 270г2 + 280 г3, (7)

которая оказалась неадекватной при проверке по ґ - критерию.

В результате обработки данных по шести опытным точкам получена квадратичная модель вида:

у = 170z1 + 270z2 + 280z3 + 45z1 z2 -12z1 z3 -17z2z3. (8)

Для проверки адекватности полученной модели использованы экспериментальные данные по опытным точкам №№ 7-10 неиспользованных для вычисления коэффициентов уравнения (8). Расчетные значения откликов в проверочных точках 7-10 определены подстановкой координат опытных точек в псевдокомпонентах в уравнение (8). Вспомогательные данные для проверки адекватности модели приведены в таблице 3. Адекватность модели по ? -критерию проверялась в опытной точке № 7, т. к. именно в этой точке, как видно из таблицы 3, наблюдаются наибольшие расхождения между опытными данными и предсказаниям по модели.

Табличное значение ? -критерия при уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы с учетом двойного дублирования опытов в десяти точках плана, составляет 2,09.

Таблица 3 - Данные для оценки адекватности модели (8)

№ опытных точек по плану Значение отклика У (по таблице 1) Расчетный отклик Уи Разность У - Уи1

7 145 147,1 2,1

8 179 178,2 0,8

9 194 192,8 1,2

10 271 272,9 1,9

Поскольку выполняется условие ґ7 < ґ -критерия (табличное значение ґ -критерия превосходит расчетное), модель второго порядка (8) адекватно описывает экспериментальные данные, и нет необходимости строить модель более высокого порядка. Диаграмму зависимости емкости поглощения от размера гранул бентонитовой глины строим по результатам обработки представленных данных в программе БТЛТІБТІСЛ.

Таким образом, нами получена зависимость емкости поглощения от размера гранул бентонитовой глины:

Е = 122,98х1 + 389,28х2 + 41,95х3 - 366,50х1х2 + 647,54х1х3 + 172,63х2х3. (9)

Анализ построенной диаграммы (рисунок 1) и модели (9), исследуемой функции отклика, позволяет сделать следующие выводы:

- в пределах исследованной области наименьшую емкость поглощения имеют гранулы размером от 0,315 до 1,5 мм, наибольшую емкость поглощения - от 2,5 до 5,0 мм;

- судя по величине коэффициентов в модели (8), наибольшее влияние на снижение емкости поглощения оказывает относительное содержание гранул размером 0,315-1,5 мм;

- в изученных пределах изменения размера гранул за счет оптимизации соотношения между отдельными фракциями, емкость поглощения может быть увеличена более чем на 20 %;

- с использованием полученной диаграммы нами выбран состав бентонитовых глин, включающий гранулы размером: 20 % - 0,315-1,5 мм; 30 % - 1,5-2,5 мм и 50 % - 2,5-5,0 мм.

Подбор размера фракций керамзитового отсева

Фракционный состав керамзитового отсева неоднороден по-своему составу. С помощью метода планирования эксперимента с использованием симплекс-решетчатых планов Шеффе (подробно изложен при подборе размера гранул бентонитовой глины) нами были проведены исследования по выявлению влияния процентного содержания фракций на емкость поглощения, которые показали, что наиболее эффективный диаметр частиц более 0,25 мм, и фракционный состав представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из трех фракций: первая (х1) - с размером частиц от 0,315 до 0,5 мм; вторая (х2) - от 0,5 до 0,8 мм и третья (х3) - от 0,8 до 1 мм. Для оценки воздействия количественного содержания фракций на емкость поглощения проведено шесть опытов (таблица 4).

Обработка полученных данных при помощи специализированной программы 8ТЛТ18Т1СЛ позволила получить спектральную поверхность регрессии, позволяющую определить зависимость емкости поглощения от размера фракций керамзитового отсева (рисунок 2).

Таблица 4 - Условия и результаты эксперимента

№ опыта по плану Расход гранул керамзитового отсева, т/га (составляет 5 % в составе композиции) Емкость поглощения, мг-экв./100 г

0,315-0,5 0,5-0,8 мм 0,8-1 мм

1 144 72 24 115

2 48 168 24 136

3 48 72 120 108

4 96 120 24 152

5 48 120 72 145

6 96 72 72 123

7 81,6 103,2 55,2 119

8 36 60 144 128

9 96 108 36 134

10 60 108 72 127

Рисунок 2 - Диаграмма зависимости емкости поглощения от размера

фракций керамзитового отсева

Таким образом, нами получена зависимость емкости поглощения от размера гранул керамзитового отсева:

Е = 21,15х1 + 89,40х2 +142,09х3 + 398,52х1х2 -171,40х1х3 + 78,72х2х3. (10)

Анализ построенной диаграммы (рисунок 2) и квадратичной модели (10) позволил сделать следующие выводы: в пределах исследованной области наименьшую емкость поглощения имеют гранулы размером 0,8-

1,0 мм. Наибольшая емкость поглощения соответствует фракции от 0,5 до 0,8 мм. С использованием полученной диаграммы нами выбран состав керамзитового отсева, включающий гранулы размером: 40 % - 0,315-0,5 мм; 50 % - 0,5-0,8 мм и 10 % - 0,8-1,0 мм.

Подбор размера фракций известняка-ракушечника.

Исследования влияния процентного содержания фракционного состава известняка-ракушечника на емкость поглощения показали, что он неоднороден по своему составу и наиболее эффективный диаметр частиц известняка-ракушечника более 5,0 мм и состоит из трех фракций: первая -с размером частиц от 5,0 до 6,5 мм; вторая - от 6,5 до 8,5 мм и третья - от

8,5 до 10 мм. С помощью метода планирования эксперимента с использованием симплекс-решетчатых планов Шеффе (подробно изложен при подборе размера гранул бентонитовой глины) для оценки воздействия количественного содержания фракций на емкость поглощения, проведено шесть опытов (таблица 5).

Таблица 5 - Условия и результаты эксперимента

№ опыта по плану Расход фракций известняка-ракушечника, т/га (составляет 55 % в составе композиции) Емкость поглощения, мг-экв./100 г

5-6,5 мм 6,5-8,5 мм 8,5-10 мм

1 1320 1056 264 296

2 528 1848 264 300

3 528 1056 1056 287

4 924 1452 264 269

5 528 1452 660 293

6 924 1056 660 198

7 792 1320 528 250

8 396 660 1584 227

9 1056 1188 396 236

10 660 1188 792 218

Обработка полученных данных при помощи специализированной программы БТЛТІБТІСЛ позволила получить спектральную поверхность регрессии, позволяющую определить зависимость емкости поглощения от

размера фракций известняка-ракушечника (рисунок 3).

Рисунок 3 - Диаграмма зависимости емкости поглощения от размера фракций известняка-ракушечника

Таким образом, нами получена зависимость емкости поглощения от размера гранул известняка-ракушечника:

Е = 1096,49х1 + 336,97х2 + 337,64х3 -1401,98х1 х2 - 3714,36х1 х3 +

+1121,88 х2 х3

(11)

Анализ построенной диаграммы (рисунок 3) и квадратичной модели (11) позволил сделать следующие выводы: в пределах исследованной области наименьшую емкость поглощения имеют гранулы размером 5,06,5 мм. Наибольшая емкость поглощения соответствует фракции от 6,5 до

8,5 мм. С использованием полученной диаграммы нами выбран состав известняка-ракушечника, включающий гранулы размером: 20 % - 5,0-6,5 мм; 70 % - 6,5-8,5 мм и 10 % - 8,5-10,0 мм.

Подбор размера фракций терриконовой породы.

Исследования влияния процентного содержания фракционного состава терриконовой породы на емкость поглощения показали, что он неоднороден по своему составу, и наиболее эффективнен диаметр частиц терриконовой породы более 0,5 мм, и состоит из трех фракций: первая -с размером частиц < 1,0 мм; вторая - от 1,0 до 1,5 мм и третья - от 1,5 до

2,0 мм. С помощью метода планирования эксперимента с использованием симплекс-решетчатых планов Шеффе (подробно изложен при подборе размера гранул бентонитовой глины) для оценки воздействия количественного содержания данных фракций на емкость поглощения проведено шесть опытов (таблица 6).

Таблица 6 - Условия и результаты эксперимента

№ опыта по плану Расход фракций терриконовой породы, т/га (составляет 10 % в составе композиции) Емкость поглощения, мг-экв./100 г

< 1,0 мм 1,0-1,5 мм 1,5-2,0 мм

1 240 192 48 254

2 96 336 48 238

3 96 192 192 217

4 168 264 48 275

5 96 264 120 247

6 168 192 120 173

7 144 240 96 226

8 72 120 288 240

9 192 216 72 231

10 120 216 144 214

Обработка полученных данных при помощи специализированной программы БТЛТІБТІСЛ позволила получить спектральную поверхность регрессии, позволяющую определить зависимость емкости поглощения от размера фракций терриконовой породы (рисунок 4).

Таким образом, нами получена зависимость емкости поглощения от размера гранул терриконовой породы:

Е = 141,48х1 -13,68х2 + 558,97х3 +1254,56х1 х2 - 2890,74х1х3 + 660,78х2х3. (12)

Рисунок 4 - Диаграмма зависимости емкости поглощения от размера

фракций терриконовой породы

Анализ построенной диаграммы (рисунок 4) и квадратичной модели (12) позволил сделать следующие выводы: в пределах исследованной области наименьшую емкость поглощения имеют гранулы размером 1,52,0 мм. Наибольшая емкость поглощения соответствует фракции от 1,0 до

1,5 мм. С использованием полученной диаграммы нами выбран состав известняка-ракушечника, включающий гранулы размером: 35 % - менее

1,0 мм; 55 % - 1,0-1,5 мм и 10 % - 1,5-2,0 мм.

В современных условиях экономического состояния мелиоративной отрасли необходимо использовать новые мелиоративные приемы, которые позволяют при минимальных затратах получить максимальную прибыль, обеспечивая при этом экологическую защиту орошаемых почв. Учитывая данные условия, весьма эффективным мероприятием по борьбе с иррига-

ционной эрозией является искусственное оструктуривание почв. Предложенный состав композиции из сруктурообразующих материалов не требует организации специального производства, эффективно оструктуривает почвы и характеризуется невысокой стоимостью приготовления. С использованием полученных уравнений (9-12) для практического использования был выбран состав композиции, включающий 15 % песчаной и 85 % крупнозернистой фракций.

Список литературы

1 Степанова, Т. Г. Мелиорация почв на большеуклонных участках при орошении дождеванием: Дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2009. - 191 с.

2 Нозадзе, Л. Р. Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. // ФГБНУ «РосНИИПМ». - Вып. 48. - Новочеркасск: «Лик», 2012. - 125 с.

3 Васильев, С. М. Повышение устойчивости и эффективности использования агроландшафтов аридной зоны в условиях постоянного и циклического орошения / С. М. Васильев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. серия: Техн. науки. - Ростов-н/Д., 2006. -364 с.

4 Зедгенидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М: Наука, 1976. 390 с.

References

1 Stepanova, T. G. Melioracija pochv na bol'sheuklonnyh uchastkah pri oroshenii dozhdevaniem: Dis. ... kand. tehn. nauk. Novocherkassk, 2009. - 191 s.

2 Nozadze, L. R. Puti povyshenija jeffektivnosti oroshaemogo zemledelija: sb. nauch. tr. // FGBNU «RosNIIPM». - Vyp. 48. - Novocherkassk: «Lik», 2012. - 125 s.

3 Vasil'ev, S. M. Povyshenie ustojchivosti i jeffektivnosti ispol'zovanija agroland-shaftov aridnoj zony v uslovijah postojannogo i ciklicheskogo oroshenija / S. M. Vasil'ev // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. serija: Tehn. nauki. - Rostov-n/D., 2006. - 364 s.

4 Zedgenidze, I. G. Planirovanie jeksperimenta dlja issledovanija mnogokompo-nentnyh sistem. M: Nauka, 1976. 390 s.