В конструкции увлажнителя с диаметром его опорной трубы-стойки 20 мм исследовались торцевые (заостренные) съемные наконечники с диаметрами 20, 24 и 26 мм. При использовании наконечников с диаметрами, превышающими диаметр увлажнителя, забиваемость отверстий частицами почвогрунта снижается, но опасность контактного выхода воды на поверхность увеличивается. Приемлемый по всем показаниям диаметр наконечника составил 24 мм (то есть с выступами за поверхность трубы увлажнителя, составляющими 2 мм).
Для определения предельной высоты опорной стойки-увлажнителя конструкция испытывалась при разных перепадах высот между поверхностью воды в емкости и выпускным отверстием (от 0,4 до 0,7 метров). Перепад уровней (напор на отверстии) регулировался разной длиной опорной стойки-увлажнителя и разным наполнением емкости водой. Испытаниями установлено отсутствие контактного высачивания воды на поверхность почвенного покрова при перепаде уровней, не превышающем (0,5 ± 0,05) м. В связи с этим форму емкости было предложено принять полигональной с большим диаметром и меньшей высотой, нежели было предложено в исходном ее варианте. При этом (во избежание выклинивания воды) предполагается регулирование водоподачи и создаваемого напора посредством регулирующе-запорного устройства (крана, зажима и др.).
При испытаниях конструкции инъектора-увлажнителя рассмотрены варианты с различным расположением, количеством и разными диаметрами водовыпускных отверстий (от 1 до 3 мм) при наконечниках с диаметром, равным диаметру инъектора-увлажнителя, и диаметром, превышающим его на 4 мм. Исследованиями установлено следующее:
- в конструкции с одним отверстием диаметром 1,0 и 2,0 мм напор на нем (в 0,7 метра) гасился, и при плотно прилегающем к поверхности почвы инъекторе по всему слою контактного выхода вода на поверхности не наблюдалась. Расход водовыпускного отверстия в среднем (при полной сработке емкости) составлял (2,0 ± 0,1) л/ч. При этом в 80 % случаев погружения инъектора (то есть в 8 вариантах из 10) наблюдалось полное или частичное забивание отверстия почвой, что приводило к снижению или полному прекращению водоподачи в почву;
- при устройстве одного отверстия диаметром 3,0 мм и перепаде уровней 0,6-0,7 м вероятность контактного выхода воды на поверхность (по сравнению с предыдущим опытом) увеличилась, а интенсивность водоподачи (особенно в разрыхленной почве) возросла до 40 л/ч при колебаниях расхода ± 10 л/ч, что свидетельствует об отсутствии забивания отверстия почвой при погружении инъектора;
- в третьей серии опытов исследовался увлажнитель с тремя, четырьмя, пятью и шестью отверстиями диаметром 2 мм, устроенными в нижней части инъектора. В этом опыте даже при количестве отверстий, равном трем, подача поливной воды в почву наблюдалась во всех случаях при колебании расхода от 2 до 10 л/час, но количество опытов с контактным выклиниванием воды на поверхность увеличилось (выклинивание наблюдалось в шести опытах из десяти);
- в серии опытов с диаметром наконечника, превышающим внешний диаметр инъектора (на 4 мм) с образованием двухмиллиметрового выступа, забиваемость водовыпускного отверстия резко уменьшилась, и даже при одном отверстии диаметром в 1 миллиметр обеспечивался расход водоподачи до 4 литров в час. При этом обеспечивалась промывка отверстия подачей воды в инъектор с напором в 0,5-0,7 м.
Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что регулирование расхода инъектора-увлажнителя посредством изменения диаметра и количества отверстий неэффективно и не позволяет управлять процессом увлажнения. В зависимости от степени забиваемости отверстий почвенными частицами могут проявляться недопустимо низкая водоподача или выклинивание воды на поверхность почвенного покрова. Задача регулирования расхода и управления режимом водоподачи может быть решена устройством и функционированием запорно-регулирующего элемента, располагаемого в верхней части опорной стойки-инъектора.
Рекомендуемые к практическому применению конструктивные решения вертикального внутрипочвенного инъекторного увлажнителя и части его элементов приведены на рисунке 3.
Канально-клапанный регулятор имеет 3-5 водопропускных каналов диаметром от 1 до 2 мм, перекрываемых запорными клапанами. Подаваемый в трубку инъекторного увлажнителя расход воды регулируется количеством одновременно работающих водовпускных отверстий.
Зажимное устройство регулирует подачу воды в гибкую (резиновую) трубку и далее (через нее) в полость инъекторного увлажнителя изменением положения зажимных планок посредством винтов.
Регулируемая капельница вставляется в отверстие инъектора, что позволяет регулировать расход увлажнителя в широком диапазоне.
Технология работы инъекторного увлажнителя. Технология подготовки и работы предложенной и разработанной конструкции внутрипочвенного увлажнителя заключается в следующем.
Мобильный вертикальный инъектор-увлажнитель устанавливается в определенном месте распространения корневой системы (рисунок 4) и погружается на определенную (заданную) глубину, исходя из требований формирования необходимого по глубине и в плане контура увлажнения (увлажняемого пространства), исключения увлажнения поверхности почвы при капиллярном поднятии влаги из области насыщения почвенного пространства.
После установки инъекторного внутрипочвенного увлажнителя емкость заполняется поливной водой или раствором воды с удобрениями, открывается запорное устройство, и вода поступает во внутреннюю полость инъектора. Распространение влаги в пределах контура увлажнения происходит в процессе инфильтрации, фильтрации и капиллярного перемещения. По мере опорожнения емкости вода в нее подается дискретно или системно. Интенсивность водоподачи устанавливается измерением объема поливной воды, вытекшего из емкости за определенный промежуток времени. При необходимости увеличения или снижения интенсивности выдачи расчетной поливной нормы подача воды регулируется запорным устройством (краном, зажимом, капельным микроводовыпуском или другим).
1 - древесное растение; 2 - поверхность земли; 3 - корни корневой системы растения; 4 - инъекторы-увлажнители; 5 - контуры увлажнения
Рисунок 4 - Схема установки инъекторных увлажнителей
Апробация предложенной конструкции мобильного внутрипочвенного вертикального инъектора-увлажнителя, рекомендуемого для орошения (полива) садов и виноградников, позволяет отметить ее основные достоинства:
- использование вертикальных инъекторов-увлажнителей в комплексе с надземно (наземно) расположенной емкостью для поливной воды позволяет:
а) в относительно просто контролируемом и управляемом режиме вести визуальные и инструментальные замеры скорости (интенсивности выдачи поливной нормы) и объема водоподачи и наблюдения за ними. Задача измерений показателей полива упрощается при наличии на поливной емкости градуированных шкал, позволяющих фиксировать высоту слоя налива и вытекания, а также объемы налива воды в емкость и объемы вытекания поливной воды из емкости в увлажнитель. Регулирование интенсивности и объемов водоподачи обеспечивается элементом управления (проточным, капельным, вентильным, пробковым или зажимным устройством), устраиваемым в емкости или на водоотводе из поливной емкости в увлажнитель;
б) в регулируемом режиме осуществлять наполнение поливной емкости из напорных, безнапорных и иных систем водоподачи (шлангами или другими емкостями) и последующую подачу поливной воды из нее в увлажнитель:
1) обеспечить естественный (под воздействием солнечной радиации) подогрев (нагревание) поливной воды низкой температуры до оптимальных (благоприятных) для различных видов растений и почв температур;
2) создать необходимый напор воды в отверстиях увлажнителя (от 0,2 до 0,7 метров и более) и при необходимости осуществить их промывку;
3) приготовить в емкости удобрительный, дезинфицирующий или иной раствор заданной концентрации и состава и обеспечить регулируемую его подачу в увлажнитель и из него - в основную зону корневой системы растений;
- мобильные внутрипочвенные инъекторы-увлажнители даже в комплексе с поливной емкостью в металлопластиковом исполнении достаточно легки и приемлемы для установки и перемещения одним человеком. Благодаря малому диаметру (до 20 мм) увлажнитель просто погружается в почвенный слой на глубину до 20-30 см нажатием ноги на упор. Разработанные и рекомендуемые к использованию типоразмеры инъекторных увлажнителей в комплекте с закрепленной или незакрепленной поливной емкостью позволяют выбрать наиболее приемлемый для конкретных природных и технологических условий их размер и (или) конструктивное исполнение;
- мобильные инъекторы-увлажнители могут быть установлены в любой точке зоны питания корневой системы растений с минимальным риском повреждения корней. Их количество и места установки могут изменяться по мере роста и развития растений и их корневой системы. При этом в разных местах зоны питания могут устанавливаться увлажнители различных типоразмеров с разным объемом или интенсивностью водоподачи;
- мобильные увлажнители могут заглубляться на разную глубину почвенного слоя и таким образом формировать разноглубинные контуры увлажнения в разных зонах питания растений. При этом может строго регулироваться толщина поверхностного неувлажняемого слоя почвы соответствующим погружением водовыпускного отверстия в почвогрунтовую толщу. При погружении инъекторных увлажнителей в корнеобитаемое почвенное пространство практически исключается повреждение корней растения (малые размеры погружаемого элемента сводят попадание в корень к минимуму);
- применение разработанных конструкций мобильных вертикальных внутрипочвенных инъекторов-увлажнителей позволяет оптимизировать основные параметры внутрипочвенного (подземно-капельного или подземно-инъекционного) полива и повысить уровень всех очевидных достоинств этой технологии орошения (полива), среди которых отметим следующие:
а) отсутствие увлажнения поверхностного слоя почвы любой заданной толщины (от 2-3 до 10-15 см), что исключает непроизводительное испарение влаги с поверхности угодья; снижает частоту обработки (рыхления) поверхностного слоя; сдерживает произрастание сорняков и, следовательно, снижает затраты труда по их удалению; позволяет осуществлять любые уходные работы, используя осушенную (сухую) поверхность земли;
б) уменьшение слоя и площади увлажнения (за счет неувлажняемого поверхностного слоя почвы), достаточно точное регулирование размеров контуров увлажнения, исключение непроизводительного испарения влаги с поверхности почвы и фильтрации за пределы корневого пространства (как в плане, так и по глубине) позволяют существенно уменьшить поливные и оросительные нормы при орошении древесных культур. При этом достигается максимально возможная экономия поливной воды в сравнении с любой другой технологией орошения, включая капельные поливы;
в) в отличие от технологии подземного орошения, основанной на использовании горизонтальных увлажнителей, применение локальных вертикальных инъекторных увлажнителей позволяет четко контролировать параметры и качество полива, размеры формируемого в почвенном пространстве контура увлажнения как в плане, так и по глубине; изменять параметры и зоны расположения увлажняемого почвенного пространства по мере роста растений и развития их корневой системы; контролировать интенсивность выпуска воды через водовыпускные отверстия в каждом увлажнителе и управлять ею; очищать (промывать) отверстия внутрипочвенных увлажнителей по легко фиксируемым показателям интенсивности (объема) водоподачи;
г) применение мобильных вертикальных увлажнителей позволяет формировать гибкие, легко изменяемые системы (сети) подземного орошения, учитывающие особенности потребности растений в онтогенезе. Системы подземного (внутрипочвенного) орошения на базе мобильных вертикальных увлажнителей, обеспечивающие локальное и управляемое увлажнение корневой зоны растений, менее капиталозатратны в сравнении с системами с горизонтальными увлажнителями, просты и удобны в эксплуатации. Такая система внутрипочвенного полива с открытой трубопроводной (водотранспортирующей) частью и легко собираемой и устраиваемой водоподающей частью не представляет проблем при строительстве и может быть оперативно смонтирована для проведения разовых поливов в критические фазы роста растений или в критические (по наличию влаги) климатические периоды;
- применение систем из нескольких разных по производительности и глубине погружения вертикальных увлажнителей при определенной гибкой системе (режиме) увлажнения зоны питания растений позволяет в нужном направлении формировать корневую систему растений через формирование контура увлажнения в процессе их роста и развития. Например, при соответствующем режиме увлажнения возможно исключение формирования «росяных» корней у винограда, яблони и других садовых культур. При правильной организации контура увлажнения (определении необходимой зоны увлажнения конкретного древесного растения, исходя из типа почвы, и расчете параметров полива, при которых сформируется необходимый контур [13]) и выборе зоны водоподачи можно исключить формирование «мертвых» от корней областей питания по причине их переувлажнения или недоувлажнения в процессе роста и развития растений. При соответствующей глубине контура увлажнения возможно направленное формирование глубины распространения корневой системы растения.