ДОЖДЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ БЕЗНАПОРНОЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ
SPRINKLING MACHINE FOR STUDYING FREE-FLOW WATER CONDUCTIVITY OF SOILS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, мелиорации и может быть использовано для проведения лабораторно-полевых опытов по изучению безнапорной водопроницаемости почв при различной структуре, интенсивности дождя, крупности и энергии падающих капель.
Известно несколько конструкций дождевателей для определения безнапорной водопроницаемости почв в полевых условиях.
В неорошаемых хозяйствах С.В. Астапов предлагает проводить опыты по изучению скорости впитывания дождя в почву с помощью специально смонтированного на высоте 1,0 м бачка с водой, снабженного широкой водоотводящей трубкой с дождевальной насадкой на конце в виде лейки (Долгов С.И. Агрофизические методы исследования почв. - М.: Наука, 1966. - С. 78).
Ерхов И.С предлагает дождеватель, для определения безнапорной водопроницаемости почв и допустимой интенсивности дождя, который состоит из стояка на треноге, двух-трех дождевальных короткоструйных дефлекторных насадок одновременного действия с диафрагмами диаметром 4-5 мм (Ерхов И.С. Методика определения безнапорной водопроницаемости почв при поливе дождеванием. - М.: Наука, Почвоведение, 1975, №9. - С. 94-100).
Ивонин В.М. для проведения опытов по изучению водопроницаемости почв и стока при ливневых дождях рекомендует использовать мобильно-капельно-струйную дождевальную установку, состоящую из бака с водой, установленного на металлической опоре, шланга с вентилем, подающим воду на дождеватель в виде рамки с водовыпускным отверстием, опоры для него, металлических щитов, ограждающих опытную площадку, лотка и водоприемника стока. (Ивонин В.М., Тертерян В.А., Водяной С.М. Эрозия почв на вырубках горных склонов / Под. ред. В.М. Ивонина. - Ростов на Дону: Изд. СКНЦ ВШ, 2001. - С. 38, 139-143).
Для исследований безнапорной фильтрации почв и стока Кулик В.Я. предлагает специальную установку с переменной интенсивностью дождя и ссылается на 18 наименований научной литературы, где описаны устройства дождевателей и проведены исследования. (Кулик В.Я. Инфильтрация воды в почву: Краткий справочник. - М.: Колос, 1978. - С. 12-13).
Мини-дождеватели различных конструкций и методы их использования в сельском хозяйстве описаны в «Изобретениях за рубежом» №3, МКИ A01G 25/00, №2142262, №17, МКИ A01G 25/00, №2166730. Франция 1973 г. Все вышеперечисленные дождеватели имеют очень узкий диапазон применения, не могут точно воспроизводить структуру дождя, присущую различным дождевальным машинам и имитировать крупность и энергию падающих капель.
Наиболее близким техническим решением является переносная установка для определения водопроницаемости почв в поле (метод дождевания на малых площадях проф. Таннера), который состоит из помпы с водой, трубопровода с дождевателем, манометром и распылителем, ограды типа ширмы, металлического квадрата, ограждающего учетную площадку почвы, водослива с учетного квадрата, закрытого водоприемника стока, регистратора объема стекающей воды (Качинский А.Н. Физика почв. ч. 2. Водно-физические свойства почв. - М.: Высшая школа, 1970, - С. 43-45.).
Недостатками данной переносной установки для определения безнапорной водопроницаемости почв методом дождевания малых площадок является отсутствие возможности регулирования интенсивности дождя, крупности капель и их энергии, характерных для дождевания машин, применяющихся в настоящее время, а также сложностью учета выпадающих осадков, идущих не только на учетную площадку, но и на прилегающую площадку и сток.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является создание конструкции дождевателя для изучения безнапорной водопроницаемости почв с широким диапазоном регулирования структуры интенсивности дождя, крупности капель и их кинетической энергии, обеспечивающих охват всего спектра элементов техники полива дождеванием, всех существующих дождевальных машин, установок, аппаратов и точный учет выпадающих осадков искусственного дождя, пошедших на безнапорное впитывание воды в почву.
Данный технический результат достигается тем, что дождеватель выполнен в виде грядилины из трубок с отверстиями, высверленными по углом друг к другу и ориентированы вверх так, что в полете струйки воды соударяются и частично разрушаются на капли, но окончательно энергия струек гасится в отражателе в виде перевернутого вверх дном противня с бортиками, установленного соосно выше дождевателя, расстояние между дождевателем и отражателем регулируется направляющими с резьбой, гайками и контргайками, причем дождеватель и отражатель смонтированы на водопроводящем трубопроводе в виде двухплечевого рычага с равными моментами сил, закрепленном на опоре, из кооксиально расположенных друг к другу труб, с основанием и анкерами, которые обеспечивают возможность изменения расстояний между дождевателем и почвой и устойчивость конструкции в пространстве.
На фиг. 1 изображен дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв, общий вид; на фиг. 2 - грядилина из трубок с отверстиями и отражатель, деталировка компановки, на фиг. 3 - конструкция грядилины из трубок с отверстиями.
Дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв состоит из полой стойки 1, приваренной к основанию 2 с анкерами 3, подвижной стойки 4, фиксатора 5, водопроводящей трубы 6, крепления 7, соединительной муфты 8, дождевателя 9 в виде грилядины из трубок, распределительной трубки 10, отражателя 11 в виде перевернутого вверх дном противня с бортиками, направляющих с резьбой 12, гаек 13, контргаек 14, отверстий 15 и 16 выполненных под углом друг к другу, с вылетающими вверх струйками воды, факела искусственного дождя 17, источника воды 18, насоса 19, шланга 20, вентиля 21, водяного счетчика 22 и пластин с отверстиями 23.
Дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв работает следующим образом.
2
Перед началом опыта по изучению безнапорной водопроницаемости почв дождеватель тарируют на том же поле, где намечены исследования. Площадку для проведения тарирования и изучения безнапорной водопроницаемости почв выбирают на типичном для данного поля участке по рельефу, гранулометрическому составу, водно-физическим свойствам почв и наличию источника воды. Для проведения тарирования дождеватель устанавливают на выбранной площадке поближе к источнику воды 18. Причем источником воды 18 может быть водопровод, закрытая оросительная сеть, открытый оросительный канал, озеро, пруд, река или мобильная на транспорте емкость. Начинают монтаж дождевателя с установки полой стойки 1, приваренной к основанию 2 с анкерами 3, которые вдавливают в почву площадки ногами. Убедившись в надежном закреплении и вертикальном положении полой стойки 1, в нее вставляют подвижную стойку 4, которую закрепляют фиксатором 5. На подвижную часть стойки 4 с помощью крепления 7 закрепляют водопроводящую трубку 6. Высота крепления водопроводящей трубы 6 зависит от конструктивных параметров дождевальных машин, проектируемых или действующих на поле, и регулируется перемещением подвижной стойки 4 относительно полой стойки и ее фиксацией на нужной высоте с помощью фиксатора 5. Кроме того, водопроводящая трубка 6 может перемещаться вдоль подвижной стойки 4 с отверстиями и фиксироваться креплением 7. Дождеватель 9 в виде грядилины из трубок с отверстиями 15 и 16 и распределительным трубопроводом 10 присоединяется к одному из плеч водопроводящего трубопровода 6 соединительной муфтой 8. Выше дождевателя 9, в виде грядилины из трубок, закрепляется отражатель 12, в виде перевернутого вверх дном противня с бортиками, который крепится к дождевателю направляющими с резьбой 12, проходящими через пластины с отверстиями 23, гайками 13 и контргайками 14. Ко второму плечу водопроводящего трубопровода 6 последовательно монтируется водяной датчик 22, вентиль 21, шланг 20, насос 19, который погружается в источник воды 18. Для пространственной устойчивости всей конструкции водопроводящую трубу 6, ослабив крепление 7, перемещают влево или вправо, добиваясь равенства моментов сил левого M1=Q1*L, и правого M2=Q2*L плеч, после чего окончательно закрепляют водопроводящий трубопровод 6. После того как конструкция дождевателя смонтирована и установлена на необходимую высоту от поверхности почвы, начинают его тарировку, в результате которой добиваются соответствующих параметров интенсивности дождя, крупности капель и их энергии. Насосом 19 начинают подавать воду из источника воды 18 по шлангу 20, через открытый вентиль 21, водяной счетчик 22, водопроводящий трубопровод 6, распределительный трубопровод 10 и в грядилину 9 из трубок. При соответствующем напоре во всей системе, вода начинает вылетать из отверстий 15 и 16 в виде струек, направленных вверх под углом друг к другу. При соударениях друг с другом струйки частично распадаются на капли, но окончательно энергия струек гасится при их соударении с отражателем 11, в виде перевернутого вверх дном противня с бортиками, после чего на поверхность почвы выпадают осадки факелом искусственного дождя 17. Среднюю интенсивность ρ, мм/мин выпадения факела искусственного дождя 17 регулируют с помощью вентиля 5, изменяя напор и водоподачу, и определяют,как частное от деления объема поданной воды V, л на площадь дождевания S, м за время t, мин:
cp
ρ=V/S*t, мм/мин.
ср
ср
Для различных дождевальных машин, установок и аппаратов средняя интенсивность дождя находится в пределах от ρ=0,1 мм/мин до ρ=0,5 мм/мин. Конструкция дождевателя для изучения безнапорной водопроницаемости почв позволяет воспроизводить, за счет регулирования, любую интенсивность дождя в диапазоне от 0,1 мм/мин до 0,5 мм/мин. На продолжительность безнапорной фильтрации оказывает влияние не только интенсивность дождя, но и крупность капель дождя, их диаметр, d, мм. Крупность капель дождя у различных дождевальных машин и установок может изменяться от 0,2-0,5 мм до 1,5-2,0 мм, что оказывает влияние на продолжительность безнапорного впитывания воды в почву при дождевании. При увеличении диаметра капель дождя время безнапорной водопроницаемости почв и величина поливной нормы до образования лужиц уменьшается. То есть, имеет место обратно пропорциональная зависимость между продолжительностью безнапорной водопроницаемости почв, интенсивностью дождя и крупностью капель. Такая же зависимость наблюдается между величиной поливной нормы до образования лужиц и интенсивностью дождя и крупностью капель. Дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв при дождевании позволяет регулировать крупность капель в диапазоне от 0,2 до 2,0 мм за счет изменения расстояния между грядилиной 9 из трубок и отражателем 11 с помощью направляющих с резьбой 12, гаек 13 и контргаек 14. Энергия падающих капель дождя регулируется изменением высоты грядилины 9 из трубок и отражателя 11 относительно поверхности почвы, которое изменяют с помощью выдвижения подвижной стойки 4 из полой стойки 1 и ее закреплением фиксатором 5.
к
Кроме того, высоту грядилины 9 из трубок можно изменить перемещением водопроводящей трубы 6 относительно подвижной стойки 4 и ее фиксацией креплением 7. Крупность капель дождя определяют общеизвестным методом по их отпечаткам на обеззоленных бумажных фильтрах диаметром 9 см, предварительно натертых чернильным порошком с помощью ватного тампона. Энергию Е (ЭРГ, дж, кГм) падающей капли дождя, условно приняв ее форму за шар, рассчитывают по формуле:
,
2
где r - средний радиус капли в форме шара, измеренный с помощью фильтровальной бумаги; ρ - плотность воды, равная 1; m - масса капли; g - ускорение свободного падения 9,8 м/сек. В технической системе единиц - единица энергии равна 1 кГм = 1 кГ*1 м=9,81 дж.
Окончив все работы по тарировке дождевателя, приступаем к проведению опытов (определению водопроницаемости почвы при орошении конкретной дождевальной машиной или установкой).
вп
н
л
ср
вп
вп
л
н
ср
вп
С этой целью оттарированный дождеватель, предварительно выключив насос, переносят на опытную площадку и устанавливают вышеописанным методом, не нарушая тарировочных параметров. Опытная площадка должна быть подготовлена для проведения опыта. Она должна быть вспахана или иметь в наличии посеянную, вегетирующую сельскохозяйственную культуру. Перед началом опыта отбирают образцы почвы на влажность через 10 см до глубины одного метра, в нескольких метрах (2-3 м) от опытной площадки. После установки дождевателя и отбора образцов для определения влажности почвы начинают проводить опыт включением насоса 19 опущенного в источник воды 18. В журнале фиксируют время начала выпадения первых капель факела искусственного дождя 17 на поверхность почвы. В процессе проведения опыта отмечают время начала образования лужиц на опытной площадке дождевания и время формирования поверхностного стока воды (образования ручейков на опытной площадке, т.е. соединения отдельных лужиц ручейками). Промежуток времени t от начала выпадения первых капель t факела искусственного дождя 17 до начала образования лужиц на опытной площадке t равен периоду, когда средняя интенсивность дождя ρ соответствует безнапорной водопроницаемости почв K при орошении дождеванием, t=t-t, мин и ρ=K, мм/мин.
Следовательно, учитывая вышесказанное средняя величина безнапорной водопроницаемости почв при дождевании от начала опыта и до образования лужиц будет равна:
вп
вп
K=V/S*t, мм/мин.
g
н
ст
доп
ср
3
Промежуток времени t от t- начало выпадения первых капель факела искусственного дождя 17 до начала формирования стока на опытной площадке t, образования ручейков между лужицами - соответствует времени выдачи допустимой величины поливной нормы m, мм или м/га при соответствующей средней интенсивности дождя ρ. Величина допустимой поливной нормы будет равна:
доп
m=V/S, мм.
Для исключения случайных ошибок опыты по изучению безнапорной водопроницаемости почв при орошении дождеванием необходимо проводить при соответствующей структуре дождя, не менее чем в трехкратной повторности на конкретном поле и выбранной опытной площадке. Опыты принято проводить на вспаханном и уже засеянном поле или в период вегетации растений. Именно в вегетационный период сельскохозяйственные культуры нуждаются в орошении различными дождевальными машинами, что способствует повышению их урожайности.