Конструктивное решение мобильного внутрипочвенного увлажнителя для инъекционно-капельного орошения древесных растений
Д.Л. Обумахов
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация
В статье рассмотрен вопрос разработки конструкции вертикального инъекторного увлажнителя для внутрипочвенного полива древесных растений. Принятая к рассмотрению в настоящей статье идея использования данной конструкции мобильных внутрипочвенных инъекторных увлажнителей (инъекторов-увлажнителей) для подачи поливной воды непосредственно в зону расположения основной части (массы) корней корневых систем многолетних плодовых древесных растений не является новой, но уровень ее разработки еще не позволяет реализовывать ее в практической деятельности садоводов. Конструктивное решение разрабатывалось параллельно с практическими испытаниями опытных образцов инъекторов в полевых и лабораторных условиях на разных по механическому составу типах почв. В итоге была принята окончательная и доработанная конструкция мобильного вертикального увлажнителя с рекомендуемыми параметрами: диаметр наконечника инъектора должен быть несколько больше диаметра самого инъектора (на 4 мм); водовыпускных отверстий должно быть не больше двух; максимальная длина инъектора (подземной части) - 30 см; напор, создаваемый емкостью с водой, не должен превышать 0,5 м. Рассматриваемая технология полива и средства, ее реализующие, относятся к локальному орошению растений и занимают промежуточное положение между надземно- и наземно-капельной технологиями и способом внутрипочвенного полива. Рассматриваемая технология включает в себя все достоинства вышеперечисленных способов полива. Данная технология полива реализуется посредством использования (в качестве основного водоподающего элемента) мобильного внутрипочвенного вертикального инъектора-увлажнителя, обеспечивающего капельную или мелкоструйную подачу поливной воды в заданном месте и на заданной глубине придревесного почвенного пространства.
Ключевые слова: инъектор-увлажнитель, внутрипочвенный полив, капельный полив, локальное орошение.
The article describes a design of vertical injection moisturizer for subsurface irrigation of woody plants. The idea under study of using this design for supplying irrigation water directly into zone containing the main part (weight) of root systems of perennial garden plants is not new, but the level of its development does not yet allow gardeners to realize it in practical activities. Constructive solution was developed simultaneously with practical tests of injector pilot models in field and laboratory conditions on the soils of different textures. The result was the adoption a final design and improved mobile vertical moisturizer with recommended parameters: diameter of the tip injection device should be slightly larger than the diameter of the injection device (4 mm); the number of water discharge orifices should be no more than two; maximum length of injection device (subsurface part) - 30 cm; pressure head created by the water capacity should not exceed 0.5 m. The considered irrigation technology and means of its implementing relate to the local irrigation of plants and occupy an intermediate position between surface drip irrigation and subsurface irrigation. It includes the obvious advantages of these irrigation methods. This irrigation technology is realized by the use of mobile vertical subsurface injection moisturizer, providing trickle supply of irrigation water in the specified place and at a given depth of soil space.
Keywords: injection-moisturizer, subsurface irrigation, drip irrigation, local irrigation.
Идея подземного орошения растений, предусматривающая подачу воды непосредственно в корневую систему (к органу растения, ее потребляющему), была выдвинута более ста лет назад. Уже в последнем десятилетии XVIII века (1895) в США применялась технология орошения садов с подачей воды в почву и подпочву [1, 2]. В отечественной истории и практике орошения земель первые технические решения поливных конструкций и систем подземного орошения были предложены еще в 1911-1924 гг. С. И. Базикиным, С. О. Воробьевым, В. П. Корневым [3-5]. Отметим, что, несмотря на внушительный исторический период возникновения идеи внутрипочвенного (подземного) орошения растений, она и до настоящего времени в должной мере не используется на практике.
Известны конструктивные решения внутрипочвенных (вертикальных) инъекторов-увлажнителей [6-11], обладающие рядом очевидных достоинств в сравнении с горизонтальными, но и они не лишены определенных недостатков в части мобильности; условий погружения; гидравлической связи с водоподающими элементами; регулирования водоподачи (расходов воды и напоров); засоряемости, промывки и очистки водовыпускных отверстий; подготовки поливной воды и поливных растворов и других. Кроме того, известные предложения не имеют расчетного обоснования и конструктивной проработки, что затрудняет их применение на практике. Отмеченное выше предопределило целесообразность разработки более совершенных конструкций вертикальных внутрипочвенных инъекторов-увлажнителей и необходимость их конструктивной отработки и опытно-производственных испытаний.
Предлагаемая конструкция мобильного внутрипочвенного вертикального увлажнителя. Конструктивное решение внутрипочвенного вертикального инъектора-увлажнителя для локального увлажнения древесных растений по патенту № 2481765 (А. М. Васильев, Д. Л. Обумахов, В. В. Бандюков) приведено на рисунке 1.
а) вертикальный разрез; б) план
Рисунок 1 - Схема конструкции мобильного внутрипочвенного вертикального увлажнителя по патенту № 2481765 [12]
инъекторный увлажнитель орошение виноградник
В соответствии с патентом № 2481765 и рисунком 1, мобильный вертикальный трубчатый увлажнитель (инъектор) для внутрипочвенного полива состоит из съемной водоподающей емкости 1, снабженной люком доступа 2, сетчатым фильтром 3, запорным краном 4 и резьбовым соединением 5, с основным внутрипочвенным инъектором 6, снабженным водораздающим устройством 7, опорной пятoй 8, сетчатым фильтром 9, съемным конусным наконечником 15, перфорированным в нижней части 10, а также дополнительных инъекторов 11, перфорированных в нижней части 10, с сетчатыми фильтрами 9, съемных конусных наконечников 15 и системы гибких водопроводных шлангов 12 [12].
Увлажнитель работает следующим образом. Инъекторы 6 и 11 погружаются в подготовленные в почве 14 отверстия внутри периметра корнеобитаемой области 13 растения 16. В целях улучшения процесса погружения в почву и обеспечения устойчивости инъектор 6 снабжен опорной пятой 8, опирающейся на поверхность земли. Для снижения сопротивления, возникающего при погружении в почву, инъекторы 6 и 11 снабжены съемными конусными наконечниками 15, которые присоединяются на резьбовом соединении и имеют больший диаметр, чем инъекторы, что позволяет разрыхлять почву при погружении, снижать забиваемость водовыпускных отверстий и улучшать условия удаления кольматанта из внутренних полостей инъекторов. Далее к инъектору 6 присоединяется водоподающая емкость 1 при помощи резьбового соединения 5, которая выполнена съемной в целях облегчения монтажа конструкции. При достижении под воздействием солнечной радиации температуры воды, необходимой для увлажнения корнеобитаемой области, в съемной водоподающей емкости 1 открывается запорный кран 4. Вода, профильтровываясь в сетчатом фильтре 3, поступает в основной внутрипочвенный инъектор 6 и через водораздающее устройство 7 по гибким водопроводным шлангам в дополнительные внутрипочвенные инъекторы 11, расположенные внутри периметра корнеобитаемой области 13, для обеспечения максимально равномерного увлажнения по всему ее объему. Далее через перфорацию, выполненную в нижней части инъекторов 10, и сетчатые фильтры 9, предназначенные для предотвращения попадания грунта в инъекторы, вода поступает в корнеобитаемую зону 13.
Предлагаемая конструкция вертикального увлажнителя для внутрипочвенного полива древесных растений обладает рядом очевидных достоинств [12], среди которых следующие:
- конструктивное решение сборно-разборного внутрипочвенного вертикального инъектора-увлажнителя, состоящего из отдельных элементов (емкости, основного опорного увлажнителя и дополнительных увлажнителей, съемного конического наконечника и соединительных (гибких) водоводов), позволяет собрать конструкцию в полевых условиях;
- конструкция увлажнителя в металлопластиковом исполнении обладает высоким уровнем мобильности и даже в комплекте с поливной емкостью может собираться и разбираться, перемещаться и монтироваться, погружаться и извлекаться из почвы одним работником. Основной и дополнительные вертикальные увлажнители могут (в оперативном режиме) быть установлены в любом месте корнеобитаемого почвенного пространства на заданную глубину погружения, которая может зависеть как от вида орошаемого растения, так и от типа почвы;
- при устройстве и погружении увлажнителей (с диаметром погружаемой части 2 см) нет необходимости в раскопке углубления и последующей его засыпке, что не только уменьшает затраты труда, но и снижает вероятность повреждения корневой системы растения;
- использование опорных (основных) увлажнителей разной высоты и разных по форме и размерам емкостей для воды и поливных растворов позволяет создавать и регулировать (в диапазоне от 0,5 до 0,7 метров) напоры в отверстиях инъекционных увлажнителей, исключающие фонтанирование воды вдоль трубы инъектора и увлажнение поверхности земли и позволяющие производить промывку водовыпускных отверстий;
- при разном уровне заглубления и разном количестве одновременно функционирующих отверстий в увлажнителях (разных размеров и форм), выполненных с возможностью закрытия их заглушками, может в широком диапазоне обеспечиваться регулирование интенсивности водоподачи. При этом дополнительное регулирование расхода поливной воды и промывка отверстий могут осуществляться посредством предусмотренного в конструкции запорно-регулирующего элемента;
- наличие в конструкции стационарной или съемной емкости позволяет провести предполивную обработку поливной воды, включая естественный подогрев (за счет солнечной радиации) холодных вод; растворение удобрений, агрохимпрепаратов и (или) средств защиты растений;
- конструкция, благодаря ее открытости и наличию водомерной шкалы в поливной емкости, позволяет не только регулировать интенсивность водоподачи, но и контролировать скорость выпуска воды из емкости (то есть скорость водоподачи) и по данным наблюдений и замеров регулировать расход водоподачи и продолжительность выдачи поливной нормы;
- внутрипочвенный увлажнитель предложенной конструкции может функционировать как индивидуально, так и в системе с 2-5 дополнительными увлажнителями при поливе одного древесного растения, количество и места установки увлажнителей могут изменяться с учетом роста и развития (развитости) корневой системы.
Предложенная по патенту № 2481765 конструкция вертикального внутрипочвенного увлажнителя была исследована в наиболее реальных почвенно-грунтовых условиях с применением экспериментально-опытного образца, конструктивное решение которого проиллюстрировано рисунком 2.
Исследуемый опытный образец мобильного вертикального увлажнителя (рисунок 2, а) состоит из следующих основных элементов: емкость 1 для поливной воды; узел 2 соединения емкости 1 с вертикальным трубчатым перфорированным инъектором 3; верхний 4 и нижний 5 упоры для погружения инъектора на заданную глубину почвенного слоя. Инъектор выполняется из трубы и имеет систему водовыпускных отверстий 6.
Для улучшения возможности погружения инъектора в нижней его части предусмотрен заостренный съемный наконечник 7, причем диаметр его верхней части несколько превышает диаметр почвенного инъектора 3 с целью снижения трения по его боковой поверхности при погружении и предотвращения забиваемости водовыпускных отверстий 6 почвой. В узле соединения 2 емкости 1 и инъектора 3 предусмотрена гибкая мягкая трубка 8 с регулирующим подачу воды регулятором 9.
а) б) в)
Рисунок 2 - Схема экспериментального образца (а), его фото (б) и рабочее положение (в)
Испытание опытного образца инъектора, приведенного на рисунке 3, проводилось при разных размерах отдельных составляющих его элементов. Опорная стойка-увлажнитель (инъектор), общая высота которой от опорной пяты 5 до конца наконечника равна 25 см, а от опорной пяты до днища емкости - 10 см, имела диаметр 10, 20 и 30 мм. В пределах верхнего участка опорная стойка-увлажнитель оборудована запорно-регулирующим устройством. При этом исследовались варианты с жестким (трубчатым) соединением емкости с увлажнителем (регулятором-краном) и гибким (шланговым) соединением (регулируемой капельницей).
а) с крановым запорно-регулирующим устройством; б) с капельным запорно-регулирующим устройством; в) с зажимным запорно-регулирующим устройством; г) с канально-клапанным регулятором
Рисунок 3 - Конструктивные решения внутрипочвенных увлажнителей
На первом этапе испытаний конструкции изучались условия погружения увлажнителя на глубину 20-25 сантиметров. В результате испытаний установлена возможность погружения увлажнителя на глубину 25 сантиметров в сухую почву, представленную черноземными и темно-каштановыми средне- и тяжелосуглинистыми почвами, нажимным усилием ноги (веса) одного человека. Определенные затруднения имели место при погружении инъектора диаметром 30 мм: необходимо было приложить немалое усилие и велика была вероятность уплотнения грунта у водовыпускного отверстия. Это привело к выводу о целесообразности уменьшения диаметра трубки инъектора до минимально возможного (20 мм). Диаметр меньше 20 мм слишком неустойчив, возникает вероятность падения всей конструкции при полной емкости. В процессе испытаний рассматривались варианты погружения инъектора в разрыхленную и самоуплотнившуюся (естественно уплотнившуюся) почву. Кроме этого, рассматривались варианты погружения инъектора в предварительно устроенные буром скважины. В первом и последнем случаях погружение инъектора в почву не вызывало затруднений, но появлялась проблема устойчивости конструкции при насыщении почвы влагой и высачивании воды вверх по контактной зоне «труба увлажнителя - почва». Для повышения устойчивости конструкции вместо первоначально предусмотренных двух упоров было предложено устраивать опорную крестовину или диск. Испытаниями конструкции с усиленной опорной крестовиной (пятoй) установлена ее высокая устойчивость в рыхлой и увлажненной почве при диаметре увлажнителя 20 мм. Кроме этого, устройство опорной пяты в форме диска (закрытой крестовины) способствует снижению контактного выклинивания воды при напорах в 70 сантиметров.