Повышение эффективности орошения при многофункциональном использовании техники полива Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

001: 10.24411/0235-2451-2019-10315

УДК 631.3

Повышение эффективности орошения

при многофункциональном использовании техники

полива

И. А. КОСТОВАРОВА, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: prraduga@yandex.ru) С. Л. ШЛЕНОВ, старший научный сотрудник М. П. ЗАМАХОВСКИЙ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и сельхозводоснабжения «Радуга», пос.

Радужный, 38, Коломенский р-н, Московская обл., 140483, Российская Федерация

Резюме. Исследования проводили с целью определения эффективности использования агрегата-дозатора гидроподкормщика для серийных дождевальных машин. Работу осуществляли в 2017 г. в Московской области, согласно действующей нормативной документации. В состав гидроподкормщика входит агрегат-дозатор для отбора и ввода жидких удобрений, резервуар для жидких удобрений, соединительные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой, приборы контроля давления. Агрегат работает в непрерывном автоматическом режиме по принципу вытеснения равных объёмов раствора минеральных удобрений в напорный оросительный трубопровод. Он снабжен сменными поршнями, которые способны работать в 2 режимах (1-й - 0,1...1,0 МПа, 2-й -0,05...1,0 МПа). Подача удобрений происходит непрерывно при ходе поршня как в одну, так и в другую сторону. Это обеспечивает постоянную равномерность концентрации минеральных удобрений в оросительном трубопроводе. Технический уровень разработки обеспечивает возможность использования гидроподкормщика в сочетании с различными поливными машинами с расходом от 1 до 200 л/с, высокую степень автоматизации процесса, отсутствие дополнительных энергетических затрат для подачи раствора удобрения в поток оросительной воды, равномерность дозирования раствора удобрений, улучшение состояния

окружающей среды. Переносной тип гидроподкормщика позволяет устанавливать его в любой точке оросительной сети. При проведении исследований давление на входе в машину составляло 0,34...0,36 МПа, расход жидкости -45 л/с, скорость ветра - 0,80...1,55 м/с, поливная норма по длине машины дождевальной электрифицированной кругового действия «Кубань-ЛК1» - 183.244 м3/га, концентрация удобрений в поливной воде - 0,038.0,041%. В среднем коэффициент недостаточного полива был равен 0,13, избыточного полива - 0,17, эффективного полива -0,70. Коэффициент равномерности орошения составил 82,45 %, что свидетельствует о незначительном влиянии растворенных в указанной концентрации удобрений на равномерность орошения.

Ключевые слова: орошение, многофункциональное использование техники полива, технологии внесения удобрений, гидроподкормщик, распределение дождя, концентрация удобрений.

Для цитирования: Костоварова И. А., Шленов С. Л., За-маховский М. П. Повышение эффективности орошения при многофункциональном использовании техники полива // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 58-61. ОО!: 10.24411/0235-2451-2019-10315.

При внесении минеральных удобрений с поливной водой появляется возможность полной механизации и автоматизации процесса обеспечения растений элементами питания. Освоение этого способа в практике сельскохозяйственного производства открывает широкие перспективы для использования в орошаемом земледелии различных форм жидких удобрений, позволяет реализовывать более совершенные приемы по обеспечению растений элементами питания [1].

Совмещение операций полива и внесения средств химизации обеспечивает более равномерное их распределение по площади поля и экономное ис-

Сложные I Простые

> I ^

ас I О

Растворимые в воде | X I

Удобрения

Поливная техника

s s

S § I

m р о I Циклический

о о m I

<-> Е 1

Способы внесения

i| 2 1 *i III

Si I о. m щ

» ■ ct m

Машины и установки от открытой сети

Место установки

17,

Внесение средств химизации с поливной водой

X 1- о S W

s и

X S Э 1С m 0 1 >s о 1-J2 а. 2С

га П)

ь

ГО m

Способы приготовления раствора (перемешивания)

Безнапорный Напорный

Сроки внесения

Способы дозирования

Вид раствора

? £

0 I ой

1 <L ! 3 о

« I 5 I 5

I I § I 2

§ а с э со

5 I

о

_ о

ГО X

зс л

° ч *

5 I I

с Д «и

I- о;

х а.

и с

о о

а. го

о о-

0 га I га ф

"Hi

1 5 s " I

i (J S ^

О О и О-

^ а. о

и ш 1 Ф о

У 1- ^

S ГО и

X 2 а> ф

го ш со о т

X 01 ас S

О) о X и с;

S с ш со

о о т го

Q. о. о.

Ч сс Ч

S X ,5

1_

х

X

5 01 ГО S з СО =Г I О X Т 2-

а> о s У ¡5 рг 52 i

I "

* п

л ш S

о. о 01 (U

F _о 2 л о X

Л и О и ГО m О ■I о. i о. о 1-го ю о 5£ DQ X л 5 го со о о.

го _ ш m ГО и

X Л и о £ (Т) О ct ^ С о о о. I-

и с Ct <и

го О.

X

Рис. 1. Функционально-структурная схема внесения минеральных и органических удобрений с поливной водой. 58 - Достижения науки и техники АПК. 2019. Т 33. № 3

пользование. В совокупности это приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур, экономии горюче-смазочных материалов, уменьшению нагрузки на экосистему и сокращению сроков окупаемости средств на ирригационное строительство. Одновременно повышается производительность труда, и улучшаются его условия, устраняется механическое повреждение растений и уплотнение пахотного горизонта почвы [2, 3, 4, 5, 6].

Для достижения высокой агроэкономической эффективности фертигации следует учитывать комплекс специфических особенностей внесения средств химизации с поливной водой. Среди них правильный выбор агрохимикатов, их физические и химические свойства, тип почвы и ее влажность, оптимальные сроки и дозы внесения, возделываемая культура и фаза ее развития, техника и нормы полива, качество выполнения соответствующих операций и квалификация исполнителей, технические средства для дозирования и наличие соответствующей технологической оснастки [7].

Главная особенность системы удобрений на орошаемых землях - дробное внесение элементов питания. Подкормки сельскохозяйственных культур осуществляют как однокомпонентными минеральными удобрениями, так и различными их сочетаниями. Эффективность их во многом зависит от вида техники полива и технологии его проведения (рис. 1) [8]. Во ВНИИ «Радуга» разработана функциональная технологическая схема внесения минеральных и органических удобрений с поливной водой с помощью ирригационного оборудования (гидроподкормщика), которая предусматривает все возможные варианты взаимодействия элементов, входящих в такую технологию [9].

Цель исследования - проверить работу агрегата-дозатора гидроподкормщика для серийных дождевальных машин в производственных условиях и оценить степень влияния внесения удобрений на равномерность распределения слоя осадков при дождевании.

Для ее достижения решали следующие задачи:

отработать подачу удобрений гидроподкормщи-ком в производственных условиях;

для каждой фермы и консоли дождевальной машины определить средний слой осадков и соответствующую концентрацию удобрений;

вычислить коэффициенты равномерности орошения, эффективного, недостаточного и избыточного полива;

выявить допустимые концентрации внесенных в воду удобрений, при которых не ухудшается качество полива.

Условия, материалы и методы. Объект исследований - гидроподкормщик для внесения жидких растворов минеральных удобрений и органических удобрений, а также средств защиты растений с поливной водой в напорный трубопровод оросительных систем. Рабочая конструкторская документация на гидроподкормщик и его экспериментальный образец разработаны в ФГБНУ ВНИИ «Радуга» (табл. 1) [9, 10].

Агрегат-дозатор гидроподкормщика поршневой 2-х ходовой работает от давления воды напорного трубопровода. Снабжен сменными поршнями, которые имеют 2 режима работы (1-й - 0,1...1,0 МПа, 2-й - 0,05.1,0 МПа), что позволяет использовать

Таблица 1. Основные технические характеристики гидроподкормщика

Наименование

Значение

Тип

Забор воды на гидропривод

Нагнетание раствора удобрений

Давление рабочей среды гидропривода, МПа Расход впрыска удобрений, л/ч Вместимость бака для загрузки удобрений, л

Масса (агрегат-дозатора), кг

переносной из напорного трубопровода оросительной системы в напорный трубопровод оросительной системы 0,05.1,00

29.388 не менее 100

не более 20

оборудование для малообъемного орошения и широкозахватных дождевальных машин. Холостого хода поршня нет. Подача удобрений происходит непрерывно при движении поршня в обе стороны. Переносной тип гидроподкормщика позволяет установить его в любой точке оросительной сети.

Исследования проводили на орошаемых землях ЗАО «Малино» Озерского района Московской области в производственных условиях в 2017 г. Равномерность распределения слоя осадков и коэффициентов эффективного, недостаточного, избыточного полива определяли по программе и методике проведения испытаний согласно СТО АИСТ 11.1.2010. [11]. Используемые приборы - термоанемометр, дождемеры, секундомер (часы), мерный цилиндр.

Коэффициенты эффективного, недостаточного и избыточного полива вычисляли по общепринятой методике: разделили число дождемеров, попадающих соответственно в интервал от 0,75Иср до 1,25И, меньших 0,75Иср и больших 1,25И, где Иср - средний слой осадков, на число всех дождемеров.

Коэффициент равномерности орошения СиН дождевальной машины кругового действия рассчитывали по модифицированной формуле Хеермана-Хейна:

Рис. 2. Схема гидроподкормщика для внесения минеральных удобрений с поливной водой дождевальной машиной кругового действия: 1 - агрегат-дозатор; 2 - краны регулирования; 3 - напорная линия; 4 - всасывающая линия; 5 - дозирующая линия; 6 - емкость для удобрений; 7 - напорный трубопровод дождевальной машины; 8 - линия технологического слива с перфорированным трубопроводом; 9 - клапан обратный с фильтром; 10 - контрольно-измерительное устройство; 11 - неподвижная опора дождевальной машины.

Таблица 2. Расстояния от дождемеров до оси вращения, м

Ферма машины Номер дождемера

1 1 2 | 3 1 4 5

1 14,0 23,6 33,2

2 42,8 52,4 62 71,6 81,2

3 90,8 100,4 110 119,6 129,2

4 138,8 148,4 158 167,6 177,2

5 186,8 196,4 206 215,6 225,2

6 234,8 244,4 254 263,6 273,2

7 282,8 292,4 302 311,6 321,2

8 330,8 340,4 350 359,6 369,2

консоль 378,8 388,4 398 407,6

Сц„=100

1_|=1_-

5>а)

(1)

где I - номер дождемера; - высота слоя осадков, собранных в 1-м дождемере, мм; - расстояние от оси вращения до 1-го дождемера, м; - средневзвешенная высота слоя осадков, мм.

Таблица 3. Распределение дождя под МДЭК «Кубань-ЛК1» и концентрация внесенных удобрений

Ферма Высота слоя осадков в дождемере, мм Средние

машины 1 2 3 4 5 высота слоя осадков, мм концентрация удобрений, %

1 16,0 21,1 27,8 - - 21,63 0,039

2 25,0 18,8 31,5 20,4 15,1 22,16 0,040

3 19,9 24,5 21,2 19,3 15,2 20,02 0,038

4 22,5 24,0 21,8 28,6 24,1 24,20 0,040

5 18,8 24,8 13,2 20,8 14,4 18,40 0,038

6 23,3 29,5 32,0 22,0 15,2 24,40 0,040

7 13,4 14,0 19,8 24,6 19,9 18,34 0,038

8 19,2 18,8 25,5 19,0 23,7 21,24 0,041

консоль 19,7 21,4 17,9 14,8 - 18,45 0,039

Среднее под машиной 21,01 0,039

Средневзвешенную высоту слоя осадков вычисляли по формуле:

2>А)

_

л >

2>

(2)

Оборудование гидроподкормщика было смонтировано на дождевальной электрифицированной машине кругового действия МДЭК «Кубань-ЛК1» (рис. 2).

Рис. 3. График распределения слоя осадков под МДЭК «Кубань-ЛК1» (пунктиром обозначены пределы эффективного полива).

В состав гидропод-кормщика входит агрегат-дозатор для отбора и ввода жидких удобрений, резервуар для жидких удобрений, соединительные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой, приборы контроля давления. Слив отработанной воды из распределителя гидропривода агрегата-дозатора происходил через линию технологического слива в перфорированный трубопровод. Дозирование рабочих растворов удобрений осуществляли в напорный трубопровод дождевальной машины комплекса непрерывно на протяжении полива. В исследовании использовали жидкое азотное удобрение (смесь водных растворов аммиачной селитры и мочевины) с исходной концентрацией 27 %.

Поскольку расстояния между опорами ферм МДЭК «Кубань-ЛК1» различаются по длине, при проведении опыта по определению равномерности распределения дождя по длине дождевальной машины под первым пролетом фермы были размещены 3 дождемера, под остальными - по 5, под консолью - 4 дождемера. Расстояния между дождемерами и осью вращения дождевальной машины составляли от 14,0 до 407,6 м (табл. 2). Давление на входе в машину было равно 0,34.0,36 МПа, расход воды - 45 л/с, скорость ветра - 0,80...1,55 м/с.

Результаты и обсуждение. Средняя поливная норма по результатам опыта составила 210 м3/га, концентрация удобрений в поливной воде - 0,038. 0,041%.

По показаниям дождемеров был построен график (рис. 3) распределения слоя осадков по длине дождевальной машины, на основании котрого провели расчет коэффициентов эффективного, недостаточного и избыточного полива. В среднем они составили

соответственно 0,70; 0,19; 0,11.

Коэффициент равномерности орошения СиН, рассчитанный по формулам (1, 2) на основании данных, полученных в результате измерения высоты слоя осадков, в которых были растворены удобрения (табл. 3), оказался равным 82,45 %, что свидетельствует о достаточно высокой степени равномерности орошения [12] и о незначительном влиянии растворенных в указанной концентрации удобрений на равномер-

ность орошения. Так как при увеличении коэффициента равномерности орошения, увеличивается коэффициент эффективного полива, то можно утверждать, что удобрения, внесенные с водой в концентрации 0,038.0,041 %, не ухудшают качество полива, которое зависит только от работы самой машины.

За время работы агрегата-дозатора гидропод-кормщика технологических и технических отказов не отмечали. Смонтированная у неподвижной опоры серийной дождевальной машины «Кубань-ЛК1» установка качественно и надежно выполняла технологический процесс. Показатели эксплуатационно-технологической оценки соответствовали требованиям технического задания на гидроподкормщик и техническим условиям на МДЭК «Кубань-ЛК1».

Выводы. Вносимые удобрения, растворенные в концентрации 0,038.0,041 %, не оказывают зна-

чительного влияния на коэффициент эффективного полива, качество их распределения по площади зависит только от работы самой дождевальной машины.

Установленный у неподвижной опоры серийной дождевальной машины «Кубань-ЛК1» агрегат-дозатор гидроподкормщика качественно и надежно выполняет технологический процесс, показатели его эксплуатационно-технологической оценки соответствовали требованиям технического задания.

Областью применения разработки могут быть все зоны орошаемого земледелия Российской Федерации, в которых эффективен полив дождеванием и требуется внесение удобрений и средств защиты растений с поливной водой для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения плодородия почв.

Литература.

1. Ольгаренко Г. В. Реализация программы импортозамещения в области производства техники полива в Российской Федерации // Мелиорация и водное хозяйство. 2018. № 1. С. 44-47.

2. Булгаков В. И. Энергосберегающие, экологически безопасные технологии и технические средства орошения для агропромышленного комплекса России // Принципы и технологии экологизации производства в сельском, лесном и рыбном хозяйстве: материалы 68-ой международной научно-практической конференции. Рязань: Издательство Рязанского государственного агротехнологического университета, 2017. Ч. 2. 431 с.

3. Effect of manifold layout and fertilizer solution concentration on fertilization and flushing times and uniformity of drip irrigation systems/ P. Tang, H. Li, Z. Issaka, etc. //Agricultural Water Management. 2018. Vol. 200. Pp. 71-79.

4. Shihong Y., Ya'nan X., Junzeng X. Organic fertilizer application increases the soil respiration and net ecosystem carbon dioxide absorption of paddy fields under water-saving irrigation // Environmental science and pollution research. 2018. Vol. 25. Рр. 9958-9968.

5. Evaluation of Drip Fertigation Uniformity Affected by Injector Type, Pressure Difference and Lateral Layout / J. Fan, L. Wu, F. Zhang, etc.// Irrigation and Drainage. 2017. 66 (4). Pp. 520-529.

6. Field evaluation of fertigation uniformity in drip irrigation system with pressure differential tank/ J. Fan, F. Zhang, L. Wu, etc. // Nongye Gongcheng Xuebao / Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 2016. 32(12). Pp. 96-101.

7. Ресурсосберегающие энергоэффективные экологически безопасные технологии и технические средства орошения: Справочник// Г. В. Ольгаренко, В. И. Городничев, А. А. Алдошкин и др. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2015. 503 с.

8. Городничев В. И. О внесении удобрений с поливной водой //Природообустройство. 2008. № 4. С. 10-15.

9. Технологии и технические средства при многофункциональном использовании поливной техники / И. А. Косто-варова, С. Л. Шленов, С. А. Асцатрян и др. // Техника и оборудование для села. 2017. № 8. С. 20-23.

10. Турапин С. С., Костоварова И. А. Современные задачи и перспективные пути повышения эффективности и надежности широкозахватных дождевальных машин // Экология и строительство. 2018. №3. C. 17-26.DOI: 10.24411/24138452-2018-10011.

11. СТО АИСТ 11.1-2010. Стандарт организации. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Методы оценки функциональных показателей. М.: 2012. 53 с.

12. Heermann D. F., Hein P. R., Performance Characteristics of Self-Propped Center Pivot Sprinkler Irrigation System // Trans. ASAE. 1968. Vol. 11. Pp. 11-15.

Irrigation Effectiveness Improvement Using Multifunctional

Watering Method

I. A. Kostovarova, S. L. Shlenov, M. P. Zamakhovsky

All-Russian Research Institute of Irrigation Systems and Agricultural Water Supply "Rainbow", pos. Raduzhnyi, 38, Kolomenskii r-n, Moskovskaya obl., 140483, Russian Federation

Abstract. The studies were carried out to determine the effectiveness of metering fertilizer injector unit, used for serial sprinkling machines. The research was carried out in the Moscow region in 2017. All the activities were performed according to the regulatory documentation. The fertilizer injector consists of a metering unit for the selection and feeding of liquid fertilizers, a reservoir for liquid fertilizers, junction lines with shut-off and control valves, and pressure control devices. The unit operates in a continuous automatic mode on the principle of displacing equal volumes of mineral fertilizers solution into a pressure irrigation pipeline. It is equipped with interchangeable pistons that can work in two modes (1st - 0.1-1.0 MPa, 2nd - 0.05-1.0 MPa). Fertilizer is fed during both forward and backward piston strokes, that is, continuously. This ensures the constant and uniform concentration of mineral fertilizers in the irrigation pipeline. Technically, the fertilizer injector can be used in combination with various irrigation machines with a flow rate from 1 to 200 L/s. It is highly automated, efficient in terms of feeding the fertilizer solution into the irrigation water flow, uniformly doses the fertilizer solution, and improves the environment. Portable fertilizer injector can be set anywhere in the irrigation network. In the research, the feeding pressure was 0.34-0.36 MPa, the flow rate was 45 L/s, the wind speed was 0.80-1.55 m/s, the irrigation rate for the length of the electrified circular sprinkler machine Kuban-LK1 was 183-244 m3/ha, the concentration of fertilizers in irrigation water was 0.038-0.041%. The average watering insufficiency ratio was 0.13, watering redundancy ratio was 0.17, and irrigation efficiency ratio was 0.70. The irrigation uniformity ratio was 82.45% that indicates that the fertilizers dissolved in the indicated concentration did not significantly affect the irrigation uniformity. Keywords: irrigation; multifunctional watering method; fertilizer application method; fertilizer injector; rain distribution; fertilizer concentration.

Author Details: I. A. Kostovarova, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow (e-mail: prraduga@yandex.ru); S. L. Shlenov, senior research fellow; M. P. Zamakhovsky, Cand. Sc. (Phys.-Math.), senior research fellow.

For citation: Kostovarova I. A., Shlenov S. L., Zamakhovsky M. P. Irrigation Effectiveness Improvement Using Multifunctional Watering Method. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2019. Vol. 33. No. 3. Pp. 58-61 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-24512019-10315.