Среда, 19.09.2018, 02:05
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Сельское и приусадебное хозяйство

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОРОШЕНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук М.Н. Лытов, кандидат сельскохозяйственных наук Е.И. Чушкина, кандидат сельскохозяйственных наук А.Н. Чушкин, кандидат технических наук

ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОРОШЕНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

В статье рассматриваются способы полива, раскрывается возможность применения активированной воды для полива, а также оснащение систем капельного орошения модулем электрохимической подготовки оросительной воды. В исследованиях рассматривается эффективность нового направления сельскохозяйственного использования электрохимически активированной воды для орошения сельскохозяйственных культур с использованием систем капельного полива. Перспективным направлением повышения эффективности современного орошаемого земледелия является повышение биологической активности оросительной воды. Изменение окислительно- восстановительного потенциала (ОВП) оросительной воды обеспечивает создание благоприятных условий для развития и роста сельскохозяйственных растений и значительного повышения их урожайности. Проблема использования активированной воды для орошения состоит, прежде всего, в трудностях сохранения окислительно-восстановительного потенциала в процессе доставки её от активатора к корнеобитаемым горизонтам почвы. Рассматриваются вопросы, связанные с необходимостью учета динамики релаксации электрохимически активированной воды в процессе движения от модуля электрохимической подготовки к капельным водовыпускам. Для электрохимической активации природной воды использовался модуль экспериментальной активационной установки проточного типа, который разработан в лаборатории Поволжского научно-исследовательского института эколого-мелиоративных технологий.

Ключевые слова: капельное орошение, полив, активация воды, активированная вода, окислительно-восстановительный потенциал, система орошения.

 

Современные технологии орошения являются продуктом длительного эволюционного развития. Поверхностный способ орошения известен с древнейших времен и является одним из старейших способов оросительных мелиораций. При поверхностном способе полив осуществляется напуском по полосам, по бороздам и затоплением, тем самым почва увлажняется во время горизонтального перемещения воды по поверхности поля при вертикальном просачивании её гравитационным путем и последующим насыщении по капиллярам [2, 11]. У этого способа есть свои плюсы и минусы. Среди достоинств этого способа орошения, пожалуй, самым главным является наименьшая энергоемкость процесса, а также возможность создания мощных почвенных влагозапа- сов, в том числе для самых глубоких горизонтов почвы. Среди минусов необходимо отметить, как правило, значительные колебания влажности почвы между поливами, существенное ухудшение условий аэрации в процессе полива, большие инфильтраци- онные потери, которые с учетом усиленной нитрификации сопровождаются активизацией процессов выноса азота пахотного слоя, на всей смоченной поверхности образуется почвенная корка, которая ухудшает условия прорастания и получения эффективных всходов сельскохозяйственных культур, поливная сеть (борозды, полосы) ухудшает условия работы сельскохозяйственных машин [2, 11].

Орошение дождеванием является одним из наиболее энергоемких путей развития современных оросительных мелиораций. Одним из основных преимуществ дождевания относительно поверхностных способов полива является значительно большая равномерность полива, снижение потерь от депрессии процесса аэрации почвы в процессе полива, поливы, как правило, проводятся более часто сниженными поливными нормами, что позволяет поддерживать оптимальный диапазон влагосодержания для большинства сельскохозяйственных культур, отсутствие поливной сети улучшает условия работы сельскохозяйственных машин и орудий [2, 11].
Узкоспециализированным развитием дождевания явилось создание мелкодисперсного орошения, технологическими особенностями которого являются высокодисперсное распыление капель и подача малых норм полива за технологический цикл. Величина дисперсии капель определяется необходимостью их удержания на поверхности листа или других вегетативных органов растений без стекания. При этом норма полива должна преимущественно исключать слияние капель. Испарение мелкораспыленных капель с поверхности растений способствует отводу излишнего тепла и снижению температуры вегетативных органов. В жаркое время это снижает потери от ингибирования фотосинтеза растений [2, 11].

Внутрипочвенный полив предполагает увлажнение по капиллярам верхних слоев почвы; поддерживается определенная глубина увлажнения; испарение воды с поверхности почвы незначительное; обеспечивается постоянное водоснабжение сельскохозяйственных культур; не препятствует работе сельскохозяйственных машин [2, 11].

Капельное орошение сегодня является одним из наиболее сбалансированных в экологическом плане способов полива, при котором вода непрерывно и дозированно подается через капельницы непосредственно в корнеобитаемый слой почвы. При этом даже в процессе полива соблюдается оптимальный баланс соотношений между почвенной влагой и доступностью почвенного воздуха [2, 11]. Капельное орошение в современной мелиоративной практике получило наиболее динамичное развитие во многом благодаря высокой технологичности, масштабируемости, возможности практически полной автоматизации процесса и значительного сокращения затрат труда на полив. Другим важнейшим преимуществом капельного орошения является возможность доставки непосредственно в прикорневую зону растений различных агрохимикатов, биостимуляторов и мелиорантов, для чего конструкция систем дооборудуется специальными технологическими модулями. Одним из новых направлений совершенствования конструкций капельного орошения является оснащение их модулями электрохимической обработки воды.

Повышение биологической активности оросительной воды за счет совокупности биофизических эффектов, проявляющихся в результате ее электрохимической обработки, является одним из наиболее наукоемких, перспективных направлений повышения эффективности современного орошаемого земледелия. Программируемое изменение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) оросительной воды обеспечивает создание благоприятных условий для развития и роста сельскохозяйственных растений и значительного повышения их урожайности [1, 8, 5, 10]. Направленное изменение ОВП оросительной воды обеспечивается установками для электрохимической активации, проточные конструкции которых в Поволжском НИИ эколого-мелиоративных технологий прошли длительный этап совершенствования и обеспечивают сегодня высокую производительность и энергоэффективность [1, 5, 10]. Это позволяет на практике реализовать технологию применения электрохимически обработанной воды с оросительными мелиорациями. В настоящем исследовании рассматривается эффективность нового направления сельскохозяйственного использования электрохимически обработанной воды для орошения с использованием систем капельного полива [10].

Материалы и методы. Предмет исследований - применение электрохимически обработанной воды для полива в системе капельного орошения [1, 10]. Проблема использования электрохимически обработанной воды для орошения сельскохозяйственных растений состоит, прежде всего, в трудностях сохранения окислительно-восстановительного потенциала оросительной воды в процессе доставки её от электролизера к корнеобитае- мым горизонтам почвы [7]. Электрохимически обработанная вода подвержена процессам релаксации, динамика которых может существенно снизить активационный потенциал, а следовательно, и эффективность применения. Рабочая гипотеза исследований определяется потенциальной эффективностью систем капельного орошения, в которых за счет использования системы закрытых водоводов процессы релаксации в значительной мере ин- гибируются. Цель исследований состоит в количественной оценке этого эффекта, а также в изучении закономерностей релаксации электрохимически обработанной воды в закрытых системах. Основой исследований стало проведение лабораторного эксперимента, в котором к изучению были поставлены следующие варианты:
- вариант 1 - анод - обработанная природная вода (анолит) в открытых системах;
- вариант 2 - катод - обработанная природная вода (католит) в открытых системах;
- вариант 3 - анод - обработанная природная вода (анолит) в закрытых системах;
- вариант 4 - катод - обработанная природная вода (католит) в закрытых системах.

С позиций технологии орошения обозначенная выше «открытая» система подразумевает применение в поверхностном, дождевальном, микродисперсном способах орошения [4, 7, 10]. Закрытая система подразумевает применение во внутрипочвенном и капельном орошении [4, 7, 10].

Для электрохимической активации природной воды использовался модуль экспериментальной активационной установки проточного типа с эксплуатационными характеристиками, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Усовершенствованный модуль активации оросительной воды  АВМ.02.000 (технические данные) [8, 6, 9]

Для имитации условий нахождения электрохимически активированной воды в закрытой системе получаемые на выходе из электролизера анолит и католит помещали в бутыли с заполнением на 100 % и последующим завинчиванием крышки. Учитывая широкое использование полимерных материалов для изготовления большинства узлов и конструкций закрытых стационарных систем орошения (в частности, капельного), в опытах применяли емкости (бутыли) из полиэтилентерефталата (ПЭТ) [4, 7, 10].

Для исследований использовалась природная вода с окислительно- восстановительным потенциалом +235 мВ и рН= 7,43. Систематические замеры окислительно-восстановительного потенциала и рН активированной воды в опыте проводились в течение 72 часов при использовании открытых систем и 118 часов при использовании закрытых систем. Результаты замеров запротоколированы и обработаны с использованием известных статистических методов корреляционного и регрессионного анализа [3].

Результаты и обсуждение. Опыты показали, что лабораторный модуль экспериментальной установки для электрохимической активации природной воды позволяет на выходе из анодной камеры получать анолит с ОВП (+840) мВ, рН = 3,9 и католит с ОВП (-650) мВ, рН = 10,5 при производительности 1,0 м3/час (таблица 2). Увеличение потенциалов активации связано с необходимостью дополнительной минерализации природной воды (в частности, за счет введения водных растворов минеральных удобрений) или снижения производительности установки [4, 7, 10].

Таблица 2 - Динамика изменения параметров электрохимически активированной воды  в системах с полимерной оболочкой (открытых и закрытых)

На рисунке 1 показаны усредненные данные лабораторного эксперимента и теоретические кривые - аппроксимации полученных экспериментальных результатов.

На рисунке видно, что общий период релаксации ОВП активированной воды (со стабилизацией параметров) в открытых системах не превышал 36 часов, а в закрытых - 96 часов. Однако динамика падения окислительно-восстановительного потенциала не
равномерна и изменяется с течением времени. Например, анолит (открытая система) теряет свыше 60 % своего активационного потенциала уже в течение первого часа, в течение следующих трех часов еще 15,9 %, в течение суток - до 93,9 %.
По католиту наблюдается сходная картина [4, 7, 10]. В течение первого часа ОВП католита потери составили 190 мВ, это 21,5 % от начального значения активаци- онного потенциала. В течение следующих трех часов ОВП католита изменился еще на 9,6 %, в течение суток на 69,9 %.

Столь динамичное снижение активационных потенциалов анолита и католита (открытые системы) в первые после обработки часы и последующее замедление релаксационных процессов на вторые и третьи сутки хорошо описывается логарифмическими кривыми [8]:
ОВПА = -85,26 • ln(t) + 533,8, R2 = 0,94

 

Рисунок 1 - Закономерности релаксации ОВП электрохимически активированной воды в (а) открытых, (б) закрытых системах

По полученным данным построенные теоретические кривые характеризуются заметно меньшей динамикой изменения ОВП [4, 7, 10]. К примеру, не более 7,0 % своего активационного потенциала в течение первого часа терял анолит и в течение следующих трех часов еще 8,4 %. Католит и его ОВП изменялся не более, чем на 70 мВ в период первого часа после обработки воды, что составляет 7,9 % активационного уровня. В течение последующих трех часов ОВП католита терял еще около 11,3 % от активаци- онного уровня, в течение первых суток до 43,5 %.

Закономерности изменения рН активированной воды полностью отражали динамику изменения заряда ОВП как в (открытых), так и в (закрытых) системах.

Заключение. Таким образом, использование для орошения системы закрытых водоводов без доступа атмосферного воздуха, которые обеспечивают доставку оросительной воды непосредственно в прикорневую зону растений, способствует обеспечению существенного снижения динамики релаксации электрохимически обработанной воды. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования электрохимически обработанной воды для полива с использованием закрытых оросительных систем из полимерных материалов (таких как капельное орошение) и дают принципиальное решение проблемы использования электрохимически активированной воды для полива сельскохозяйственных культур. Количественная оценка процесса релаксации электрохимически обработанной воды в закрытых системах из полимерного материала позволяет компенсировать технологический сдвиг ОВП изменением режимов работы электролизера.

Библиографический список

1. Белицкая, М.Н. Электроактивированная вода: возможности использования в растениеводстве [Текст] / М.Н. Белицкая, Е.Э. Нефедьева // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 24. - С. 124-128.
2. Григоров, М.С. Способы, техника полива и режимы орошения сельскохозяйственных культур в открытом грунте и теплицах [Текст] / М.С. Григоров // Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК»: материалы научно-практической конференции. - Волгоград: Волгоградский государственный аграрный университет, 2008. - С. 51-53.
3. Дуброва, Т.А. Статистические методы прогнозирования [Текст] / Т.А. Дуброва. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 205 с.
4. Особенности релаксации электрохимически активированной воды в открытых и закрытых системах с полимерной оболочкой [Текст] / С.Я. Семененко, В.Ф. Лобойко, М.Н. Лы- тов, А.Н. Чушкин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 4 (40). - С. 175-181.
5. Прилуцкий, В.И. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия [Текст] / В.И. Прилуцкий, В.М. Бахир. - М.: ВНИИМТ, 1995. - 228 с.
6. Разработка проточных устройств для электрохимической активации воды производственного назначения [Текст] /А.Л. Конюшков, С.Я. Семененко, А.Н. Лагутин, Е.И. Чушкина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2013. - № 2 (30). - С. 214-217.
7. Семененко, С.Я. Закономерности релаксации и восстановления свойств электрохимически активированных водных сред в системах с полимерной оболочкой [Текст] / С.Я. Семененко, А.Н. Чушкин, М.Н. Лытов// Использование мелиорированных земель - современное состояние и перспективы развития мелиоративного земледелия: материалы Международной научно-практической конференции. - Тверь: ВНИИМЗ, 2015. - С. 208-212.
8. Технология использования оросительной воды с измененным редокс-потенциалом [Текст] / Н.Н. Дубенок, С.Я. Семененко, Е.И. Чушкина, М.Н. Лытов, А.Н. Чушкин. - Волгоград: ООО «Сфера», 2016. - 228 с.
9. Установка для электрохимической активации воды и водных растворов преимущественно для систем капельного орошения [Текст] : патент №2251531 Российская Федерация, МПК C02F1/46. / Абезин В.Г., Карпунин В.В., Карпунин В.В., Сердюков Д.А., Салдаев А.М.// Изобретения. Полезные модели. - 2005.
10. Чушкин, А.Н. Теоретическое и экспериментальное обоснование алгоритма проектирования систем капельного орошения с модулем электрохимической активации воды [Текст] : дис. канд. тех. наук: 06.01.02 / А.Н. Чушкин. - Волгоград, 2016. - 217 с.
11. Шумаков, Б.Б. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение [Текст] : справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.

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

Категория: Сельское и приусадебное хозяйство | Добавил: x5443 (25.07.2018)
Просмотров: 37 | Теги: капельное орошение, полив | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2018 Обратная связь