Вторник, 22.01.2019, 09:19
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Сельское и приусадебное хозяйство

К ВОПРОСУ О ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОГО РЫХЛЕНИЯ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ

С.А.Васильев, доктор технических наук, профессор, П.В.Константинов, С.Н. Мардарьев, кандидат технических наук, доцент С.П.Зайцев, кандидат технических наук, доцент

К ВОПРОСУ О ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОГО РЫХЛЕНИЯ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ

Рассмотрен вопрос о технике и технологии глубокого рыхления склоновых земель в рамках анализа известных технических средств и решений, позволяющих реализовать глубокое мелиоративное рыхление, и теоретических исследований подходов щелевания на склоновых землях. Для разуплотнения более глубоких слоев почвогрунта мелиоративные мероприятия практически не проводятся, поскольку ограничены выпуском серийных глубокорыхлителей. Приведены описание и принцип работы известных технических средств для глубокого рыхления, в результате анализа этих устройств выявлены недостатки в конструкторских решениях, ограничивающих создание и дальнейшее сохранение рыхлой структуры почвогрунта на склонах. Установлено, что на склонах создаются гравитационные условия для разрушения выше расположенного по склону относительно щели объема почвогрунта, размещенного в зоне деформации. Проведены теоретические исследования, определены варианты и причины разрушения этого объема почвогрунта и получено выражение для определения зависимости изменения веса элементарного объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона в диапазон 0.20 градусов, которая представлена в виде графика. Установлено, что при уклоне 5.20 градусов возникает высокая вероятность обрушения или сползания почвогрунта. Теоретические выкладки подтверждают практику применения глубокого рыхления в осенний период после первых заморозков, однако в весенний период, после промерзания и дальнейшего набухания почвогрунта из-за повышенной влажности, происходят неизбежные процессы разрушения почвогрунта на склоновых землях.

Ключевые слова: глубокое рыхление, щелевание, глубокорыхлитель, коэффициент внешнего трения, коэффициентом удельного прилипания, почвогрунт, склоновые земли.

 

Введение. Преимущества применения глубокого рыхления известны и раскрыты во многих научных трудах [1, 5, 9, 13]. Исследования по изучению процессов, связанных с глубоким рыхлением почвогрунта, показали, что такое действие вызывает изменение вторичного режима почв, способствует быстрому отводу верховодки из почвенных горизонтов в весенний период, наблюдается перераспределение запасов влаги в почвенном профиле, что в итоге обусловливает статистически достоверное увеличение урожайности сельскохозяйственных культур в период от одного года до четырех лет [13].

Очевидные преимущества глубокого рыхления еще больше проявляются на склоновых землях [5]. Агроландшафт склоновых земель представляет собой природно- территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами. Поскольку он характеризуется экологической неустойчивостью, то для обеспечения его равновесного состояния должна выполняться система мелиоративных и экологических мероприятий на всей его площади.

В настоящее время агротехнические мероприятия по разуплотнению пахотного слоя и разрушению «плужной подошвы» до 40 см проводятся и для этого используются культиваторы-рыхлители и чизельные плуги [4]. Для разуплотнения более глубоких слоев почвогрунта от 50 до 80 см мелиоративные мероприятия проводятся реже, поскольку ограничены выпуском серийных глубокорыхлителей.

Материалы и методы. Обзор существующих технических средств для глубокого рыхления с возможным внесением удобрений и мелиорантов проводился по информационной базе ФИПС.

Учеными Туркменского сельскохозяйственного университета создано комбинированное техническое устройство [9] для обработки почвы и одновременного внесения жидких удобрений. Этот агрегат снабжён опорными колёсами, рамой, поперечной балкой с рабочими органами, ёмкостью для удобрений с заправочной горловиной, взаимодействующей посредством системы трубопроводов с выходными соплами. Это устройство позволяет улучшить качество приготовления раствора жидких удобрений и равномерности их внесения, снизить материалоёмкость системы, расширить функциональные возможности, повысить производительность и эффективность работы при обработке почвы, выполнять подкормку возделываемых культур.

В Оренбургском государственном аграрном университете разработано устройство для нарезки водопоглощающих щелей с одновременным мульчированием их соломой [14]. Орудие состоит из сварной рамы, щелереза, соломонаправителя, состоящего из двух граблин и соломозаделывателя в виде круглого диска, подвешенного на па- раллелограммном механизме. При начале движении агрегата по поверхности поля рама опускается, тем самым она заглубляет щелерез в почву, что приводит к образованию щели. При этом с помощью граблин происходит сбор соломы и подача ее на щель. Далее диск вносит солому внутрь щели.

Комбинированное орудие для глубокого рыхления почвы с внесением удобрений, разработанное в Московском государственном университете природообустройства [8], состоит из рамы с закрепленными на ней стойками и бака для удобрений. Такое конструктивное исполнение позволяет снизить тяговое сопротивление орудия и обеспечивает за один проход орудия глубокое рыхление и внесение в почву удобрений, исключая при этом отрицательное воздействие на состояние окружающей среды.
Глубокорыхлитель навесной, разработанный Кубанским государственным аграрным университетом [7], предназначен для глубокого рыхления почвы и оснащен дополнительным приспособлением для выравнивания борозд за стойками рыхлителей и дополнительного крошения почвы на небольшую глубину до 20 см. При движении с трактором по полю лапы заглубляются на установленную глубину и рыхлят пласт почвы, обеспечивая вынесенным вперед долотом деформацию ее снизу вверх. Дополнительное приспособление для крошения почвы и выравнивания по всей ширине захвата обеспечивается барабанами с активно-пассивной расстановкой зубьев. После прохода такой машины почва имеет грубое крошение на глубине 20-65 см и мелкое - на глубине до 20 см, а также хорошо выровненную поверхность.

Результаты и обсуждение. Обзор технических средств глубокого рыхления показывает, что рассмотренные приспособления не обеспечивают эффективного накопления и сбережения почвенной влаги на протяжении прогнозируемого периода эксплуатации щели; ряд приспособлений не обеспечивает высокого качества обработки поч- вогрунта из-за забиваемости орудий; некоторые агрегаты имеют громоздкую форму и неудобны в применении, в процессе щелевания не учитываются агроландшафтные условия и параметры склоновых земель [6, 10].

Анализ существующих конструкций выявил основные особенности и недостатки технических средств, а также предопределил проведение теоретических исследований подходов щелевания почвогрунта. Как правило, при выполнении глубокого рыхления на склоновых землях создается щель, которая относительно вертикали располагается под некоторым углом, равным углу склона для обрабатываемого участка (рисунок 1 а). В процессе обработки почвогрунта образуется зона деформации, определяемая продольными и поперечными углами скалывания и критической глубиной резания hRp. Углы поперечного скалывания почвогрунта, по данным источника [3], меняются от 44 до 62 градусов при изменении глубины рыхления соответственно от 73 до 64 см. Таким образом, при щелевании на склоновых землях создаются гравитационные условия для разрушения вышерасположенного по склону относительно щели объема почвогрунта, размещенного в зоне деформации.

Причинами разрушения этого объема почвогрунта являются:

- гравитационные силы, под действием которых масса почвогрунта может сползать по границе зоны деформации (рисунок 1 б) или обрушиться по границе, приближенной к вертикальной трещине (рисунок 1 в);

- водный поток, движущийся по склону, попадает в щель путем инфильтрации через многочисленные трещины в зоне деформации, насыщая выше расположенный по склону объем почвогрунта, и по подстилающей поверхности сверху, размывая стенки щели и заполняя ее твердым и жидким стоком. Размыв верхней по склону стенки щели происходит под действием ряда сил и прогрессирует даже при малых расходах водного потока за счет «Teapot»-эффекта, подробно изученного в работах Максимова В.И. [5].

Рассмотрим отмеченные процессы подробнее.

Согласно рисунку 1 б, движение массы почвогрунта в сечении БВО будет происходить по границе зоны деформации вниз под действием продольной составляющей силы тяжести Gnp . В обратную сторону действует сила трения, запишем условие равновесия:
 (1)

Относительный угол скалывания определяется по выражению:

Рисунок 1 - К расчету процессов сползания и опрокидывания почвогрунта после щелевания склона

Откуда имеем соотношение:
 (3)

Известно, что коэффициент трения для почв составляет: 0,25.0,35 - сыпучие песчаные и супесчаные; 0,50.0,7 - связанные песчаные и супесчаные; 0,35.0,50 - суглинистые; 0,40.0,90 - тяжелые суглинки и глины [3]. При глубоком рыхлении обрабатываются в большей степени тяжелые суглинки и глина, поэтому необходимо принимать значения от 0,50.0,8, которые соответствуют углам скалывания от 63.51 градусов. Уменьшение данных параметров будет способствовать быстрому началу движение массы почвогрунта.

Под действием силы тяжести также будет происходить обрушение почвогрунта, ограниченного сечением АВО, в виде его сползания и опрокидывания (рисунок 1 в). Проведем его расчет.

Определим вес вышерасположенного по склону объема почвогрунта длиной в 1 метр по щели:
 (4)
Объем почвогрунта можно определить по выражению:
(5)
где S - площадь треугольника АВО, м2; l - элементарная длина объема почвогрунта, равная 1 м. Согласно выражениям (4) и (5), получим уравнение:
(6)

По полученному выражению (6) построим график зависимости изменения веса объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона в диапазон 0...20 градусов (рисунок 2).

По зависимости изменения веса элементарного объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона, видно, что при уклоне от 5 до 20 градусов возникает высокая вероятность обрушения или сползания почвогрунта.

Поскольку площадь границы зоны деформации имеет существенные размеры, необходимо дополнительно учитывать прилипание влажного почвогрунта. При определенных условиях (влажность, температура и т.д.) трение и прилипание действуют совместно. При скольжении почвогрунта эти процессы проявляются одновременно в виде сопротивления скольжению, эту силу можно представить в виде суммы силы трения и силы прилипания.

Рисунок 2 - Зависимость изменения веса объема почвогрунта, подверженного обрушению, от уклона склона

Липкость проявляется лишь при определенной влажности (при относительной влажности бесструктурных почв - 40.50 % и структурных почв - 60.70 %) [2]. С увеличением влажности липкость сначала возрастает, а затем снижается. Поэтому снижение сил трения и прилипания по границе зоны деформации почвогрунта во время весенне-осеннего периода объясняется повышенной влажностью и, возможно, образованием водной пленки в процессе инфильтрации атмосферных осадков и образования подпочвенного стока, что вызывает довольно быстрое сползание увлажненного объёма почвогрунта и закрытие щели.

Заключение. Таким образом, теоретические выкладки подтверждают практику применения глубокого рыхления в осенний период после первых заморозков, когда влажность почвогрунта на склоновых землях имеет оптимальные значения и определяется коэффициентом внешнего трения и коэффициентом удельного прилипания поч- вогрунта. Однако далее в весенний период, после промерзания и дальнейшего набухания почвогрунта из-за повышенной влажности, происходят неизбежные процессы, рассмотренные в статье.

В связи с этим необходимо выработать возможные меры для предотвращения этих процессов с целью сохранения и поддержания благоприятных условий для произрастания сельскохозяйственных растений, соблюдая требования органического земледелия. В то же время для повышения эффективности мелиоративных мероприятий на склонах важно оценить состояние склоновых земель (параметры склонов, размеры контуров, гидрологический режим, типы и разновидности почв, эрозионные процессы, хозяйственные условия месторасположения и др.) [11, 12] и применить когнитивные технологии, используя интеллектуальные сети и инструменты управления данными, что в целом обеспечит реализацию цифровой мелиорации склоновых земель.

Библиографический список

1. Алексеев, В.В. Гидрофизика почв в мелиорации [Текст]: монография / В.В. Алексеев, И.И. Максимов. - Чебоксары: Новое время, 2017. - 280 с.
2. Алексеев, В.В. Получение функциональной зависимости липкости почв от основных гидрофизических почвенных параметров [Текст]/ В.В. Алексеев, И.И. Максимов, С.А. Васильев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2014. - № 3 (40). - C. 63-67.
3. Бибутов, Н. С. Изучение деформации почвы в зависимости от основных параметров рыхлительной лапы [Текст]/ Н.С. Бибутов, А.Х. Хожиев // Молодой ученый. - 2016. - №2. - С. 127-129.
4. Васильев, А.А. Устройство для внесения в почву жидких мелиорантов при плоскорезной обработке [Текст]/ А. А. Васильев, С. А. Васильев // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т. 111. Ч. 1. - С. 181-183.
5. Васильев, С.А. Гидравлическая шероховатость склоновых агроландшафтов [Текст]/ С.А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов. - Чебоксары : Новое Время, 2014. - 210 с.
6. Васильев, С.А. Разработка методики проектирования противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах по допустимому смыву почвы [Текст]/ С.А. Васильев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2016. - № 5. - С. 48-51.
7. Глубокорыхлитель навесной [Текст]: пат. № 2360388 / Бойков Н.А., Лачуга Ю.Ф., Маслов Г. Г. [и др.] / опуб. 10.07.2009, бюл. № 19.
8. Комбинированное орудие для глубокого рыхления почвы с внесением удобрений [Текст]: пат. № 2500092 / Шмонин В.А, Теловов Н.К., Тойгамбаев С.К. Опуб. 10.12.2013 Бюл. № 34
9. Методы и машины для глубокого рыхления грунта с одновременным внутрипоч- венным внесением жидких органоминеральных удобрений [Текст] / А. Данатаров, С.Ч. Ашы- ров, К. Мухамметмырадов, С. Рустамов // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). - М.: Буки-Веди, 2012. - С. 141-143.
10. Методика проектирования компенсационных мелиоративных мероприятий с применением гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте [Текст]/ С. А. Васильев // Природообустройство. - 2016. - № 3. - С. 84-89.
11. Моделирование развития русла в подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов [Текст] / И. И. Максимов, С. А. Васильев, В. В. Алексеев [и др.] // Почвоведение. - 2016. - № 4. - С. 514-519.
12. Особенности применения противоэрозионных мелиоративных мероприятий на различных по форме склоновых агроландшафтах [Текст]/ С. А. Васильев // Природообустройство. - 2016. - № 4. - С. 86-92.
13. Разработка рабочего органа для внесения жидких мелиорантов в почву при плоскорезной обработке [Текст]/ С. А. Васильев, А. А. Васильев, И. И. Максимов [и др.] // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2014. - № 1. - С. 55-58.
14. Совершенствование технических средств для глубокого рыхления почвы [Текст]/ К. С. Потешкин, М. М. Константинов, А. Н. Хмура, Б. Н. Нуралин // Известия ОГАУ. - 2011. - №4. - С. 101-104.

"Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса" № 2 (50), 2018

Категория: Сельское и приусадебное хозяйство | Добавил: x5443 (07.01.2019)
Просмотров: 18 | Теги: рыхление, почвогрунт | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2019 Обратная связь