CC BY
13
УДК 631.674.5:631.347.3
В. В. КОПЫТОВСКИЙ
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДОЖДЕВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ
(Поступила в редакцию 14.01.2014)
Анализ изменения интенсивности прерывистого до- The analysis of changes in time in the intensity of
ждевания во времени показал, что интенсивность дож- intermittent sprinkling showed, that intensity of sprinklers
девальных устройств, которые применяются в произ- used in production conditions ranges from 0.25 to 0.32
водственных условиях колеблется в пределах 0,25- mm/min. With such intensity, the duration of sprinkling
0,32 мм/мин. При такой тжжтт^и согласно жьт- ranges from 22 min. on uncultivated plots to 70 min. on
mm ^тм продолжительность жшт без стош ко- cultivated variants, according to research data. It is very
леблется от 22 мин. на необработанных участках до difficult and sometimes almost impossible to fulfill the re-
70 мин. на обработанных вариантах. За такое время . , . . , . . .,
quired watering norm during this time without the appearing выдать требуемую поливную норму без появления стока f fr
затруднительно, а порой просто невозможно. of runoff.
Введение
Интенсивное воздействие на окружающую среду, в том числе и в сфере сельскохозяйственного производства, привело к увеличению масштабов ее загрязнения. В наибольшей степени загрязняют среду животноводческие фермы и комплексы. Подавляющее большинство существующих способов и технологий утилизации животноводческих стоков основано на почвенной очистке в процессе внесения их на поля для удобрительного орошения сельскохозяйственных культур. Это позволяет включить в биологический круговорот биогенные элементы и снизить загрязнение окружающей среды. При дождевании значение имеет не только регулирование водного режима почвы в соответствии с требованиями растений, но и равномерность распределения воды по орошаемой площади с интенсивностью дождя, при которой на поверхности не образуется поверхностный сток [1, 2, 5].
Анализ источников
Из литературных источников установлено, что главным условием качественного дождевания является соответствие его интенсивности впитывающей способности почвы. Известно, что при поливе сточными водами впитывающая способность почвы значительно снижается. Это связано с физико-механическими свойствами поливной жидкости, содержащей значительное количество взвешенных веществ, которые оказывает кольматирующее действие на почву.
Механизм этого процесса детально рассмотрен в работах [3, 4, 5, 6]. Как показывают результаты исследований, в связи с большим многообразием факторов, влияющих на интенсивность дождевания, попытка установить теоретическую зависимость допустимой интенсивности от определяющих ее величину факторов не представляется возможной. Поэтому достаточно обоснованные параметры рекомендуется устанавливать экспериментальным путем.
Опыты по повышению качества дождевания при использовании животноводческих стоков являются весьма актуальными.
Методы исследования
Опыты были проведены в различных вариантах с применением агромелиоративных мероприятий и бессточного дренажа по общепринятым методикам [7, 8]. Перед поливами на поверхности почвы устанавливались учетные врезные рамы квадратной формы с размером стороны 33 см. Дождевание проводили с помощью дефлекторной насадки, которая периодически включалась в работу с различными интервалами времени по схеме «полив - пауза - полив и т. д.». Таким образом, моделировалось прерывистое дождевание. Учет поливной нормы ma вели с помощью дождемеров диаметром приемного отверстия 10 см. За начало стока принимали момент времени, когда на поверхности учетной площадки образовывались лужи диаметром 2-3 см. Продолжительность дождевания t определяли с помощью секундомера от момента начала полива учетной площадки до образования на ее поверхности луж. Все измерения были проведены в 3-4-кратной повторности. Предполивная влажность почвы 75 % НВ. Величину допустимой интенсивности дождевания iд находили по формуле:
о»
где гд- допустимая интенсивность дождевания, мм/мин.; m() - величина поливной нормы от начала дождевания до момента появления стока, мм; t - продолжительность дождевания до момента появления стока, мин.
Опыты по повышению качества дождевания при использовании животноводческих стоков выполнены в соответствии с методическими указаниями [7, 8, 11, 12].
Схема опыта: 1 - без орошения стоками и мелиоративных мероприятий (абсолютный контроль); 2 -орошение стоками без мелиоративных мероприятий (контроль); 3 - орошение стоками + бессточный дренаж; 4 - орошение стоками + бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением на 30 см; 5 - орошение стоками + бессточный дренаж в сочетании с рыхлением на глубину 60 см; 6 - орошение стоками + бессточный дренаж в сочетании с внесением соломы в почву в количестве; 7 - орошение стоками + бессточный дренаж в сочетании с почвоуглублением и внесением соломы в почву; 8 - орошение стоками + бессточный дренаж в сочетании с рыхлением на глубину 60 см и внесением соломы в почву 4 т/га.
Варианты опыта характеризовались следующими параметрами.
В вариантах опыта 3-8 бессточные дрены представляют собой траншеи глубиной 0,8 м. На дно траншей укладывали слой соломы или растительных остатков слоем 15-20 см. После этого траншеи засыпали вынутым грунтом. Расстояние между соседними бессточными дренами составляло 10 м. Выполнялись они поперек ранее уложенного керамического дренажа. Траншеи устраивали траншейным экскаватором шириной 20 см. Для повышения эффективности перевода поверхностного стока во внут-рипочвенный через 5 м по длине бессточной дрены устраивали фильтрационные окна, используя для этой цели пожнивные остатки. Уклон дрен копировал уклон поверхности и составлял в среднем 0,002.
Основная часть
Проведенные опыты показывают, что допустимая интенсивность дождевания зависит от продолжительности полива и значительно изменяется по вариантам. Наибольшее значение допустимой интенсивности отмечено в вариантах 5 и 8, соответственно 0,56 и 0,62 мм/мин. при продолжительности воздействия дождя на почву 18 мин. При снижении допустимой интенсивности до 0,10-0,12 мм/мин. продолжительность дождевания до появления стока в этих вариантах составляет 110 и 140 мин. - соответственно. Результаты проведенных полевых исследований допустимой интенсивности прерывистого дождевания приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1. Допустимая интенсивность прерывистого дождевания стоками в вариантах опыта
Варианты опыта Содержание в стоках сухого вещества, % Продолжительность дождевания до стока, мин. Допустимая интенсивность дождевания, мм/мин.
2 10-70 0,36-0,07
3 15-80 0,38-0,06
4 15-95 0,40-0,08
5 до 2,0 18-110 0,56-0,10
6 18-105 0,43-0,09
7 18-105 0,44-0,09
8 18-140 0,62-0,12
Рис. 1. Изменение допустимой интенсивности прерывистого дождевания во времени в вариантах опыта
Исследованные в опыте агромелиоративные мероприятия в основном могут быть выполнены существующими механизмами для обработки почвы. Однако ежегодно проводить эти агромелиоративные приемы нецелесообразно и экономически невыгодно из-за высокой энергоемкости. С целью устранения этого недостатка возникает необходимость разработки специальных устройств, которые продлили бы долговечность энергонасыщенных агромелиоративных приемов.
Разработанное устройство (рис. 2) состоит из кротователя-щелереза, который дополнительно оборудуется штифтователем в виде прикатывающего катка, на изогнутой оси которого установлены диски с шарнирно закрепленными на них штифтами и жестко закрепленными ограничителями угла поворота штифтов. Оси вращения штифтовальных дисков расположены в вертикальной плоскости, которая проходит через ось вращения прикатывающего катка так, что плоскости, в которых вращаются штифтовальные диски, расположены симметрично плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа кротователя или щелереза и под острым углом к ней. Устройство может применяться не только на орошаемых сельскохозяйственных землях, но и в условиях обычного земледелия для повышения эффективности использования естественных атмосферных осадков.
Техническая задача, на решение которой была направлена разработанная конструкция, заключается в повышении равномерности увлажнения поля и упрощении технологии производства работ, повышении урожайности и повышении качества орошаемых сельскохозяйственных культур, предотвращении водной эрозии почвы и загрязнения окружающей среды.
При использовании предлагаемой конструкции нарезка кротовин или щелей осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению господствующего ветра с сообщением их полостей с дневной поверхностью поля каналами. Каналы выполняются наклонными с выходом на поверхность поля за пределами почвенного валика, образующегося при прорезании корневой системы растений рабочим органом кротователя или щелереза.
Разработанное устройство работает следующим образом. При движении по полю рабочим органом 1 щелереза прорезаются щели 11, при этом образуется почвенный валик 12. Одновременно с этим штифты прокалывают почву и соединяют полость щелей 11 вертикальными отверстиями 13 с дневной поверхностью поля, причем из-за острого угла наклона плоскостей вращения штифтовальных дисков 5, а следовательно, и штифтов 6 к плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа щелереза, выходы 14 каналов 13 и дневную поверхность поля осуществляются за пределами почвенного валика 12.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства для обработки поверхности поля: 1 - рабочий орган щелереза; 2 - кронштейн; 3 - прикатывающий каток; 4 - ось катка; 5 - штифтовальный диск;
6 - штифт; 7 - шарнир; 8 - ограничитель; 9 - оси вращения прикатывающего катка; 10 - ось вращения штифтовальных дисков; 11 - щель в почве; 12 - почвенный валик; 13 - вертикальные отверстия в почве
Закрепление штифтов 6 на штифтовальных дисках 5 посредством шарниров позволяет прокалывать каналы 13 без изгибающих нагрузок на штифты 6, что также способствует и минимальному повреждению растений вследствие прокола их только в осевом направлении штифтов 6.
При вращении штифтовальных дисков 5 ограничители угла поворота 8 штифтов 6 переводят штифты 6 в рабочее состояние и обеспечивают оптимальный угол вхождения их в почву.
Прикатывающий каток 3 частично сминает и выравнивает почвенный валик, перекрывает верх щели 11 и формирует ее свод. Кроме того, прикатывающий каток 3 уплотняет почву вокруг штифтов 6 в момент прокалывания ими каналов 13, чем повышает устойчивость этих каналов 13.
Оси вращения 10 штифтовальных дисков 5 расположены в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения 9 прикатывающего катка 3 так, что плоскости, в которых вращаются щтифто-вальные диски 5 расположены симметрично плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа щелереза, т. е. оси вращения 10 и 9 штифтовальных - дисков 5 и прикатывающего катка 3 расположены в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа 1 щелереза. Это обеспечивает мак-
симальное давление на почву (и уплотнение ее вокруг штифтов 6) от прикатывающего катка 3 в момент времени, соответствующий максимальному погружению штифтов 6 в почву, чем предотвращается разрушение каналов 13. Штифтовальные диски 5 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную и вертикальную оси рабочего органа 1 щелереза, что обеспечивает работу агрегата без поперечных нагрузок.
Рекомендуется следующая технология производства работ с предлагаемым устройством.
На поле, поперек господствующего направления ветра, предлагаемым устройством нарезаются щели 11. Штифты 6 устройства соединяют их полости с дневной поверхностью поля за пределами почвенного валика 12, образующегося при прорезании корневой системы растений рабочим органом 1 кротователя или щелереза. Щели 11 прорезают с минимальной глубиной, обеспечивающей их устойчивость (30-60 см).
Наиболее эффективно способ осуществляется тогда, когда щели 11 нарезают с уклоном из зоны избыточного полива к зоне недостаточного полива. Кроме выполнения щелей с переменной глубиной, для этой цели можно использовать рельеф поля - необходимо стремиться к выполнению щелей 13 под углом к горизонталям. Этот угол должен быть минимальным, так как данный способ является также эффективным мероприятием для перехвата поверхностного и внутрипочвенного стока, возникающего вследствие выпадения осадков и весеннего снеготаяния.
При выпадении осадков, превышающих впитывающую способность, образуется поверхностный сток, который перехватывается выходами 14 каналов 13 и по ним поступает в щели 11. Протекая по щелям 11, избыток поливной жидкости перераспределяется по площади, поля и впитывается в почву.
Повышение равномерности увлажнения почвы и распределения биогенных элементов по площади поля способствует увеличению урожайности и качества сельскохозяйственных культур. Особенно эффективен данный способ обработки по трассам бессточных дрен. Это связано с тем, что со временем засыпка траншеи бессточной дрены уплотняется и ее водоприемная способность снижается, что, в конечном счете, затрудняет нормальную работу всей системы.
Заключение
Анализ изменения интенсивности прерывистого дождевания во времени показал, что интенсивность дождевальных устройств, которые применяются в производственных условиях, колеблется в пределах 0,25-0,32 мм/мин. При такой интенсивности, согласно опытным данным, продолжительность полива без стока колеблется от 22 мин. на необработанных участках до 70 мин. на обработанных вариантах. За такое время выдать требуемую поливную норму без появления стока затруднительно, а порой просто невозможно.
Данное обстоятельство указывает на то, что наряду с проведением агромелиоративных мероприятий требуется совершенствование и самих дождевальных устройств. Поэтому проведенные исследования по изучению качества дождевания позволили выработать направление совершенствования дождевальных устройств и разработать конструкцию дождевального аппарата, которая может быть использована в дождевальных машинах.
Основная задача, на решение которой направлена разработанная конструкция аппарата, - повышение равномерности искусственного дождя и увеличение площади полива с одной позиции.
С учетом изложенного выше необходимо отметить, что для повышения экологической безопасности мелиоративной системы с использованием животноводческих стоков необходимо постоянное совершенствование отдельных ее элементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влияние свинокомплекса «Заднепровский» на ландшафт / В.С. Брезгунов [и др.] // Мелиорация переувлажненных земель: сб. науч. работ: БелНИИМиЛ. - Т. 39. - 1992. - С. 107-117.
2 Геоэкологические проблемы в зоне влияния животноводческих комплексов Беларуси / В. С. Брезгунов [и др.] // Материалы VI съезда Белорусского географического общества. - Минск, 1999. - С. 173-175.
3. Воловщиков, Ю. И. Использование стоков животноводческих комплексов для орошения / Ю. И. Воловщиков // Гидротехника и мелиорация. - 1978. - № 6. - С. 107-109.
4. Голченко, М. Г. Способы повышения экологической безопасности утилизации стоков животноводческих комплексов / М. Г. Голченко, В. И. Желязко, Н. Н. Михальченко // Современные проблемы изучения использования и охраны природных комплексов Полесья: тезисы докладов междунар. конф., Минск, 22-25 сентября 1998 г.; БелСЭНС. - Минск, 1998. - С. 161.
5. Желязко, В. И. Дождевание многолетних трав стоками свиноводческих комплексов: дис...канд. техн. наук / В. И. Желязко. - Горки, 1987. - 138 с.
6. Желязко, В. И. Эколого-мелиоративные основы орошения земель стоками свиноводческих комплексов: монография / В. И. Желязко. - Горки, 2003. - 168 с.
7. Ильин, С. П. Основы природообустройства и защиты окружающей среды: учеб. - метод. пособ. / С. П. Ильин, Ю. И. Сухарев. - М.: Московский государственный университет природообустройства, 2008. - 58 с.
8. Ильин, С. П. Методические указания по расчету мелиоративных и энергетических показателей разбрызгивающих устройств: метод. указ. / С. П. Ильин, И. С. Сильченков. - М.: Московский государственный университет природообустройства, 2006. - 24 с.
