XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Водные ресурсы ,как известно, являются неотъемлемыми и чрезвычайно ценными природными ресурсами планеты. Наибольшее значение имеет пресная вода, без которой человеческое существование невозможно, и заменить ее ничем нельзя. Люди всегда потребляли свежую воду и использовали ее в различных целях, включая бытовое, сельскохозяйственное, промышленное и рекреационное использование [1]. При условии применения орошения возможно получать высокие урожаи и обеспечить потребности населения всей страны. Но, к сожалению, водные ресурсы ограничены, а в некоторых районах даже наблюдается дефицит воды.

Способ орошения - комплекс мер и приемов распределения воды на поливном участке и превращение водного потока в почвенную и атмосферную влагу.

Различают следующие способы орошения: поверхностное, дождевание, внутрипочвенное, капельное, мелкодисперсное.[2]

Поверхностный способ полива имеет три разновид­ности: напуском по полосам, по бороздам и затоп­лением. При поливе напуском вода движется тонким слоем по поверхности выровненных длинных полос и в процессе движения впитывается в почву. При поливе по проточным бороздам вода впитывает­ся в почву через дно и стенки борозд, в процессе движе­ния, а по затопляемым бороздам она впитывается в со­стоянии покоя. Для поверхностного орошения характерны следующие особенности: поливы проводят периодически, запасы во­ды аккумулируются в верхних слоях почвы и расходу­ются в межполивные периоды; увлажняется только поч­ва; большие колебания влажности почвы в период между поливами; после полива образуется почвенная корка на всей смоченной поверхности, которая снижает аэрацию, процессы нитрификации и увеличивает испарение с поверхности почвы. Плотная корка препятствует появле­нию всходов растений; поливная сеть (борозды, полосы) ухудшает условия работы сельскохозяйственных машин.

При дождевании поливы проводят периодически, во­да аккумулируется в верхних слоях почвы; увлажняется не только почва, но и растения, что активизирует их фи­зиологические процессы; глубина увлажнения почвы, как правило, меньше, чем при поверхностном орошении; можно давать частые поливы малыми поливными нор­мами и тем самым создавать более равномерный режим влажности почвы; дождевание более сильно влияет на микроклимат приземного слоя воздуха, чем поверхност­ное орошение; отсутствие поливной сети улучшает усло­вия работы сельскохозяйственных машин и орудий.

Внутрипочвенное орошение позволяет получать толь­ко капиллярное увлажнение верхних слоев почвы; под­держивать определенную глубину увлажнения; значи­тельно уменьшить испарение воды с поверхности почвы; обеспечить непрерывное водоснабжение растений; не стесняет работу сельскохозяйственных машин.

При мелкодисперсном (аэрозольном) орошении вода подается на поле периодически малыми дозами в виде очень мелких частиц и смачивает листья и стебли расте­ний, снижая при этом температуру воздуха и растений. В жаркое время это повышает фотосинтез растений. Этот способ полива применяют в комплексе с другими спосо­бами полива.[3]

При капельном орошении вода непрерывно подается через капельницы каплями в почву к корням растений. Это способ локального увлажнения почвы, т.е. зоны непосредственного расположения корневой системы. При капельном орошении (КО) подача воды производится непосредственно растениям через специальные микроводовыпуски - капельницы с очень малыми расходами (4-20 л/час). При этом увлажняется только зона распространения корней, междурядья остаются сухими. Вместе с поливной водой при необходимости подаются удобрения. Раствор удобрений впрыскивается в магистральный трубопровод с помощью инжектора. Важнейшее преимущество КО - большая экономия оросительной воды в результате существенного снижения потерь воды на фильтрацию за пределы корнеобитаемой зоны, испарение, поверхностный сток, а также из-за устранения неравномерности полива.

Наиболее эффективным способом орошения в развитых странах признается капельное орошение.

Востребованность капельного полива

Капельное орошение в настоящее время является одним из интенсивно развивающихся способов орошения. В последние двадцать лет площади, занятые капельным орошением, расширились более чем в 6 раз и в настоящее время в мире составляют порядка 6,1 млн. га.

Капельное орошение – локальный способ полива с подачей воды по пластмассовым трубопроводам через капельницы безнапорно по каплям на поверхность или под поверхность почвы в зону распространения основной массы корней каждого отдельного растения. [1]

Вид капельного полива в теплице вполне востребован. Ведь там уход за растениями тоже отнимает много времени и сил. Однако недостаточно просто поставить трубы и емкости и открывать кран. Надо еще внимательно разобраться со спецификой каждого вида подачи жидкости растениям. Только на последнем этапе они едины в том, что вода предоставляется в виде капель, однако на предыдущих стадиях все организовано неодинаково.

Рисунок 1 – Капельное орошение

Перед тем как принять решение об устройстве автоматизированной системы орошения, рекомендуется ознакомиться со всеми ее преимуществами.[4]

Сокращение трудозатрат по уходу растениями.

Минимизация риска возникновения заболоченности почвы.

Удобная подача минеральных удобрений: в виде водного раствора.

Рациональное использование воды.

Полив больших площадей при минимальных финансовых и трудовых затратах.

Снижение себестоимости продукции

Не создаются положительные условия для роста сорняков;

К минусам капельного орошения относят и необходимость периодической чистки отверстий – из-за небольшого диаметра они часто засоряются.Впрочем, сделать это несложно – достаточно промыть или продуть систему. Увеличивать же размер отверстий не рекомендуется, так как вода будет сразу же выливаться в начале шланга, а до самых последних форсунок-отверстий просто не дойдет. Для защиты системы от загрязнений на входе (то есть в начале шланга, находящегося в бочке) устанавливают фильтр. В качестве него использовать можно даже обычный кусок поролона.

Описание устройства капельного полива в теплице домохозяйства.

 Подача воды при этом методе осуществляется с помощью дозаторов-капельниц (форсунок). Простейший ее вариант – шланг с проделанными в нем 3-8-миллиметровыми отверстиями и заткнутым пробкой основным изливом. Для обеспечения напора наполненный водой бак с опущенным в него шлангом поднимают на определенную высоту. В зависимости от требуемого напора она может быть от 1 до 10 м.[2]

Рисунок 2 – Схема капельного орошения

Источником воды не обязательно должен быть водопровод или бочка. Им может служить скважина, колодец или водоем. Для этого в систему понадобится подключить насос. Но все же для полива теплицы или огорода перед поливом воду лучше нагреть на солнце.Для этого используются емкости (бочки) подходящего размера. При поднятии ее на определенную высоту вода в систему будет поступать самотеком.

Самые простые автоматические системы капельного полива состоят из нескольких элементов:

емкость для воды;

насос;

шланги (водопроводные рукава);

эмиттерные, лабиринтные или щелевые капельные ленты диаметром 22 или 16 мм;

фильтр.

Более сложные дополнены:

датчиками;

таймером;

контроллером;

нагревательными элементами.

Рисунок 3 – Система капельного орошения

Подачу воды в капельном поливе для теплицы, изготовленном своими руками необходимо тщательно отрегулировать. При малом напоре водой будут обеспечиваться только те растения, которые расположены в начале грядки. Избыток воды также нежелателен – посадки будут страдать. Типы капельниц и дозаторов и расстояние между ними следует подбирать в зависимости от вида орошаемых растений. Для большинства культур расстояние между капельницами– 30 см.[5]

Для изготовления капельного полива вначале стоит составить план с указанием длины грядок и расположения на ней растений. Далее расчерчивается схема капельного полива, где указывается местонахождение каждого из трубопроводов и емкости для набора воды (бочки). Подробный план системы нужен не только для определения общей длины труб, но количества капельниц, а также переходников, тройников и прочих деталей.

Далее потребуется рассчитать потребляемый объем воды, то есть размер требуемой емкости (бочки). К примеру, для прокладки трубопровода длиной 10 м при расстоянии между капельницами (форсунками) 30 см их понадобится 34 штуки. Если каждая из них «выдает» 5 л/час, то 34 капельницы пропустят через себя 170 л в час. Если длина системы получается большей, то понадобится слишком большая емкость. Поэтому капельную систему лучше разбить на две или воспользоваться постоянным источником воды.[4]

Расход воды при капельном орошении для таких влаголюбивых растений как огурцы составляет 2 л на куст, то есть в несколько раз меньше обычной нормы. Капельный полив томатов в теплице с уже сформировавшимся плодами производится 1 раз в 4 дня. На каждое растение понадобится 1,5 л воды. Капусте и картофелю понадобится 2,5 л в сутки.Таким образом, при подаче воды из капельницы 3 л/час для полива огурцов понадобится чуть меньше часа, томатов около 30 минут, капусты и раннего картофеля около часа.

Рисунок 4 – Схема посадки растений в теплице

Таймеры и контроллеры для автоматического полива

Важнейший компонент автополива – это таймер или контроллер, который и обеспечивает работу всей системы, не требующей присутствия человека, участие которого сводится лишь к монтажу оборудования и его первоначальной настройке. (Большая часть современных таймеров и контроллеров для автополива теплиц изначально снабжены электромагнитными клапанами, открывающими и закрывающими подачу воды в магистраль.)

Для начала нужно провести разницу между таймерами и контролерами для автоматического полива. Первые – сравнительно простые электрические и электромеханические устройства, позволяющие задать лишь два параметра (частоту и продолжительность орошения).[6]

Контроллер же является более сложным электронным устройством, где пользователь, используя набор кнопок и дисплей, задает программу полива, включающую в себя дополнительные параметры, такие как:

учет давления в трубопроводе;

задание циклов полива отдельно по дням;

учет температуры и влажности.

Кроме того, многие из них снабжаются GSM-модулями, что позволяет осуществлять управление удаленно, с помощью мобильного телефона. Разница в функционале и сложности устройств для управления автополивом влияет на стоимость – таймеры дешевле, контроллеры дороже.

Рисунок 5 – Контроллер GA-325

Контроллер GA-325. С его помощью можно запрограммировать орошение на четырех отдельных зонах, которыми могут быть как разные грядки, так и целые теплицы

Есть еще одна характеристика, на которую нужно обязательно обратить внимание – количество каналов. Если растениям в вашей теплице достаточно одной программы полива на всех – необходим самый простейший таймер или контроллер с одним каналом. А в ситуации, когда надо организовать разные типы орошения, пригодятся многоканальные устройства

Помимо всего прочего, при выборе автоматики для теплицы важно учитывать: автономность и тип элемента питания. Большинство современных таймеров и контроллеров используют для этого либо несколько пальчиковых батареек. Но есть также возможность питания солнечной энергией – солнечной батареей.[6]

Для того чтобы напор был на весь трубопровод 
(на всю длину теплицы) нужно на ближних форсунках создать дополннительное сопротивление протоку воды, уменьшить диаметр форсунок, или использовать гидрозатворы.

Засорение систем капельного орошения

Засорение систем капельного полива может быть вызвано следующими факторами, которые следует учитывать и удалять для предотвращения засорения.

Бактерии и водоросли. Опасным их свойством является образование в трубах и воде желеобразного клейкого вещества, которое в системах полива образует агломераты, приводящие к засорению систем. Бактериям и водорослям необходимы для жизнедеятельности СО2, N, P, Fe, Cu, Mo и другие вещества. Высокая температура в трубах полива летом способствует биологической активности бактерий и водорослей, что приведет к их засорению. Зоопланктон. Включает простейшие одноклеточные, а также рыб. Кроме того, имеет место засорение личинками.

Также может иметь место оседание на внутренних стенках труб различных соединений. В жесткой воде с рН выше 7.5 Ca и Mg может осаждаться на элементах поливочной сети.

Если степень насыщения СаСО3 превышает 0.5, а показатель жесткости воды более 300 мг/л, то поливочной системе грозит закупорка. Полуторасернистое железо и марганец или гидроокись металлов также могут откладываться на стенках труб. При неправильном смешивании отдельных видов удобрений они могут выпадать в осадок. Для предотвращения негативных последствий необходимо контролировать качество воды.[7]

Система включает гидравлически соединенные водоисточник, насосную станцию, фильтр, манометры, запорную арматуру, магистральный трубопровод, сеть распределительных и поливных трубопроводов, капельницы, водовоздушный бак-отстойник с осадочной камерой для сбора взвешенных частиц, модуль электроактивации оросительной воды. Модуль электроактивации оросительной воды состоит из источника постоянного тока и установки для электроактивации воды. Установка для электроактивации воды электрически связана с источником постоянного тока и имеет переключатель потенциалов. Установка имеет подводящий трубопровод с внутренней винтовой направляющей поверхностью и трубопровод для отвода воды с положительным и отрицательным потенциалами. Трубопровод с внутренней винтовой направляющей поверхностью имеет левостороннюю направленность. Трубопровод для отвода воды с положительным и отрицательным потенциалами имеет на внутренней поверхности винтовую направляющую с левосторонней направленностью и соединен с магистральным трубопроводом. На магистральном трубопроводе гидравлически параллельно соединена в сеть емкость для подготовки питательного раствора. Установка для электроактивации воды включает коаксиально расположенные электроды с возможностью изменения положительного и отрицательного потенциалов, полупроницаемую обечайку между ними. Полупроницаемая обечайка выполнена из микропористой пластмассы. Один из электродов, выполняющий функции корпуса, имеет форму полого цилиндра и изготовлен из нержавеющей стали или титана. Внутри полого цилиндра, отделенный от его поверхности полупроницаемой обечайкой, установлен электрод, имеющий форму винтового шнека с навивкой против часовой стрелки. Электрод выполнен из нержавеющей стали или титана, для подвода положительного и отрицательного потенциалов к электродам предусмотрены токопроводящие шины. Корпус установки воды имеет присоединительные резьбовые наконечники. К присоединительным резьбовым наконечникам подключаются подводящие и отводящие трубопроводы. Подводящие и отводящие трубопроводы выполнены из диэлектрического агрессивно устойчивого полиэтилена. Корпус установки для электроактивации воды закрыт снаружи диэлектрическим кожухом.[7]

Реализация системы капельного орошения

Рассмотрим один из вариантов реализации системы капельного орошения, который представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема системы капельного орошения

Описание : 1- Насос; 2 - Блок фильтрации воды; 3 - Кран; 4 - Блок внесения удобрений; 5 - Ёмкость для жидких удобрений; 6 - Магистральный трубопровод; 7 - Распределительный трубопровод; 8 - Коннектор для подключения капельной трубки (ленты); 9 - Капельная трубка (лента).

Описание технологического цикла: 1) насос подаёт воду из скважины в блок фильтрации воды, где она очищается; 2) в очищенную воду подмешивается концентрированный раствор удобрений; 3) вода с удобрениями попадает в магистральный трубопровод; 4) из магистрального трубопровода вода, через распределительный трубопровод и капельные трубки (ленты), подаётся к растениям.[8]

Для обеспечения высокой урожайности на орошаемом поле необходим контроль влажности почвы. Влажность - это один из главных факторов, влияющих на плодородность грунта. Для контроля влажности почвы поле делится на несколько зон полива, в зависимости от вида сельскохозяйственных культур и условий почвы. В каждой зоне устанавливается один датчик влажности почвы, который передаёт сигнал в микроконтроллер, который управляет электромагнитными клапанами, установленными на распределительных трубопроводах.

На рисунке 7 представлена функциональная схема  системы автоматического регулирования (САР) влажности почвы.

Рисунок 7 - Функциональная схема САР влажности почвы

Описание:МК1 - микроконтроллер; ИМ1-4 - исполнительные механизмы (соленоиды клапанов); РО1-4 - регулирующие органы (мембраны клапанов); РТ1-4 - распределительные трубопроводы; ЗП1-4 - зоны полива; ДВ1-4 - датчики влажности.

В контроллере устанавливается уровень влажности, который является предельно допустимым. Если этот уровень превышен, то срабатывает электромагнитный клапан, который перекрывает сечение распределительного трубопровода, ведущего к соответствующей зоне полива. В процессе управления клапанами изменяется расход воды в системе. Если не регулировать работу насоса, то давление в сети увеличивается, что наглядно продемонстрировано на рисунке 8. Понятие сети включает в себя совокупность резервуаров, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, фильтров, через которые проходит жидкость до насоса и от насоса до потребителя.

 

Рисунок 8 - Характеристика сети при уменьшении расхода

График 1 - «кривая насоса», подающая часть системы водоснабжения, которая отражает зависимость давления нагнетания от величины расхода жидкости. График 2 – это «кривая системы» - потребляющая часть водоснабжения, так же отображающая взаимозависимость расхода и давления жидкости, но в зеркальном отображении. При снижении потребления воды увеличивается гидравлическое сопротивление сети (график 3). Чтобы стабилизировать давление, необходимо регулировать работу насоса. Для этого применяются преобразователи частоты. На рисунке 9 представлена функциональная схема САР давления в трубопроводе.

Рисунок 9 - Функциональная схема САР давления в трубопроводе

Описание: ЗИ1 - задатчик интенсивности, который устанавливает требуемое давление; РД1 - регулятор давления, который представляет собой ПИ - регулятор; ПЧ1 - преобразователь частоты; ЭП1 - электропривод насоса; Н1 - насос; Т1 - магистральный трубопровод. Если давление в системе не соответствует требуемому, то преобразователь частоты изменяет скорость вращения рабочего колеса насоса до тех пор, пока давление не установится на требуемом значении.

Таким образом, при автоматизации системы капельного полива, для обеспечения её бесперебойного функционирования, и повышения надёжности, необходимо регулировать работу насоса. Для автоматизации этого процесса хорошо подходит преобразователь частоты.[9]

Список литературы

1. Безопасные системы и технологии капельного орошения, Балакай Г.Т., Воеводина Л.А., Снипич Ю.Ф., 2010 – 52с.

2.Способы орошения и техника полива культур [Электронный ресурс]. URL: https://studme.org/259815/agropromyshlennost/sposoby_orosheniya_tehnika_poliva_kultur (дата обращения - 10.09.2019).

3. Способы орошения [Электронный ресурс]. URL: http://mk-hydro.ru/sposoby-orosheniya (дата обращения - 15.09.2019).

4. Капельный полив. Виды, плюсы, минусы и цена капельного полива [Электронный ресурс]. URL: https://cadiogorod.ru/kapelnyj-poliv-vidy-plyusy-minusy-i-cena-kapelnogo-poliva/ (дата обращения - 15.10.2019). 5.Капельное орошение [Электронный ресурс]. URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/12(52).pdf (дата обращения - 08.10.2019).

6. Автополив в теплице [Электронный ресурс]. URL: https://teplica-exp.ru/avtopoliv-v-teplice/ (дата обращения - 10.10.2019).

7.Система капельного орошения с модулем активации оросительной воды [Электронный ресурс]. URL: https://findpatent.ru/patent/241/2410869.html (дата обращения - 10.10.2019).

8. Капельное орошение в теплице [Электронный ресурс]. URL: https://krrot.net/kapelnui-poliv-v-teplice-svoimi-rykami/#avtomatizirovannye-sistemy - orosheniya (дата обращения - 21.09.2019).

9. Капельное орошение: практика применения [Электронный ресурс]. URL: https://webferma.com/rastenievodstvo/sistemi-orosheniya/kapelniy-poliv.html (дата обращения - 14.10.2019).

Код для цитирования: Скопировать