ОРОСИТЕЛЬНАЯ СЕТЬ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФИТОКЛИМАТА ПОЛЯ
IRRIGATION NETWORK FOR ADJUSTMENT OF FIELD PHYTOCLIMATE

Изобретение относится к области сельского хозяйства и найдет применение при борьбе с воздушной засухой, засухой, суховеями, а также для регулирования микроклимата в посевах сельскохозяйственных культур.
Сущность проблемы состоит в том, что в условиях зоны недостаточного увлажнения почти ежегодно наблюдается воздушная засуха, характеризующаяся температурой воздуха более 25°С и его низкой влажностью (менее 30%). Даже при достаточной влажности почвы растения при воздушной засухе страдают из-за температурного стресса. Часто воздушная засуха совпадает с периодом цветения зерновых и резко снижает урожайность из-за пустозерности, когда часть зерен в колосьях не завязывается. Если воздушная засуха приходится на период налива зерна, то потери урожая вызываются неполнотой налива - щуплостью зерна. Продолжительная воздушная засуха переходит в засуху, при которой растения испытывают недостаток и в почвенной влаге. Во время засухи при температуре воздуха 35-40°С поверхность почвы может нагреваться до 70°С. Это вызывает формирование интенсивного восходящего потока воздуха, выносящего частички почвы с образованием пыльного тумана. Такая засуха может уничтожить урожай полностью.
3
Одним из современных способов борьбы с воздушной засухой является мелкодисперсное дождевание. Экспериментально установлено, что мелкодисперсное дождевание посевов нормами 1,5-2 м/га во время воздушной засухи позволяет значительно снизить ущерб. Периодическое опрыскивание в наиболее жаркое время суток, когда температура воздуха превышает 25°С, позволяет снизить влияние температурного стресса на растения и повысить урожайность на 20%.
Известен способ регулирования фитоклимата на поле, включающий полив и периодическое опрыскивание растений при превышении температуры воздуха 25°С, реализуемый дождевальной машиной ДДА-100 м и смонтированной на ней мобильной установкой мелкодисперсного дождевания, включающей насос и подключенный к нему трубопровод с мелкодисперсными распылителями, закрепленный на ферме дождевальной машины (Патент РФ №2172583, МКИ A01G 25/09, БИ №24, 2001 г.).
Недостатками данного способа и установки являются недостаточная эффективность при борьбе с засухой, непроизводительные затраты воды на заполнение и поддержание уровня воды в распределительной сети, а также большие затраты горючего на проведение опрыскивания.
Известен способ регулирования фитоклимата поля, включающий капельное орошение участка и опрыскивание растений из насадок мелкодисперсного дождевания на основе периодических инструментальных определений температуры и влажности приземного слоя воздуха и почвы в слое 1-10 см, скорости и направления приземного ветра с последующим расчетом коэффициентов и сравнением их с оптимльными.
Оросительная система для осуществления этого способа включает водоисточник, энергетическую установку с насосной станцией, водоподводящий трубопровод и подключенные к нему с помощью регулирующей арматуры поливные трубопроводы с водовыпусками капельной подачи воды и поливные трубопроводы с мелкодисперсными распылителями (Патент РФ №2464776, МКИ A01G 25/00, 2011 г.).
Применение этого способа дает возможность производить опрыскивание растений с различной периодичностью и продолжительностью, что позволяет оказывать более значительное влияние на фитоклимат поля. При этом использование капельного орошения обеспечивает значительное сокращение поливной нормы благодаря увлажнению только 25-30% площади поля. Эти способ и оросительная система приняты в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является его сложность и трудоемкость из-за необходимости инструментальных замеров показателей приземного слоя воздуха и почвы и последующих расчетов, значительное снижение эффективности мелкодисперсного дождевания и капельного орошения при переходе воздушной засухи в засуху в связи с нагреванием неувлажненной части почвы (70-75%) выше температуры воздуха и образованием устойчивого восходящего потока воздуха с поверхности поля, уносящего распыляемую влагу.
Недостатком оросительной системы является невозможность капельным орошением с ее помощью увлажнить всю площадь поля при засухе, а также невозможность использовать эту систему при возделывании культур сплошного сева из-за густой водопроводящей сети (отдельно для капельного орошениия и мелкодисперсного дождевания).
Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый способ регулирования фитоклимата поля, включающий периодическое мелкодисперсное увлажнение растений с учетом температуры и влажности приземного слоя воздуха и почвы, а также скорости и направления приземного ветра, в котором согласно изобретению над поверхностью поля производят распыление аэрозоля с автоматическим регулированием высоты и направления его подачи, а также размера капель в нем, по результатам мониторинга температуры и влажности приземного слоя воздуха и почвы, скорости и направления приземного ветра в режиме реального времени на основе данных, получаемых от автоматизировнного измерительного комплекса.
Оросительная система, включающая водоисточник, энергетическую установку, насос, распределительный трубопровод и подключенные к нему поливные трубопроводы с мелкодисперсными распылителями, в которой согласно изобретению распылители выполнены в виде генераторов аэрозоля, каждый из которых оборудован системой индивидуального дистанционного управления и состоит из корпуса с установленным в нем электродвигателем с вентилятором, двух групп форсунок, одна из которых подключена через снабженный управляющим контроллером клапан к поливному трубопроводу, а вторая группа - к насосу высокого давления, также подключенному к поливному трубопроводу через снабженный управляющим контроллером клапан, при этом корпус генератора смонтирован на раме и оборудован механизмами поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях на 180°, снабженными электроприводами с управляющими контроллерами, а электрооборудование генератора подключено к кабелю, проложенному вдоль поливного трубопровода от энергетической установки, причем управляющие контроллеры объединены беспроводной связью с компьютером центрального узла, получающего информацию в режиме реального времени от автоматизированного измерительного комплекса, включающего датчики влажности и температуры почвы и приземного слоя воздуха, а также скорости и направления движения приземного ветра.
Новый технический результат состоит в том, что на основе мониторинга в режиме реального времени температуры и влажности почвы и приземного слоя воздуха, а также направления и скорости его передвижения (приземного ветра) осуществляется автоматическое регулирование высоты и направления распыливания аэрозоля, а также его структуры, и позволяет путем дистанционного управления работой каждого отдельного генератора аэрозоля обеспечить поддержание влажности и температуры приземного слоя воздуха и почвы в оптимальных пределах на всей площади поля.
Конструктивное выполнение системы для осуществления предлагаемого способа обеспечивает контролирование в режиме реального времени параметров почвы и приземного слоя воздуха, а также скорости и направления его движения, и позволяет в соответствии с ними дистанционно управлять работой каждого генератора аэрозоля, автоматически регулируя высоту, направление и структуру распыляемого аэрозоля, при этом разреженная сеть трубопроводов позволяет применять эту систему при возделывании культур сплошного сева.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид системы для регулирования фитоклимата поля, на фиг. 2 - общий вид генератора аэрозоля, на фиг. 3 - генератор аэрозоля, вид сверху, на фиг. 4 - генератор аэрозоля в разрезе.
Система располагается на орошаемом участке 1 и включает водоисточник 2, энергетическую установку 3, насос 4, который связан трубопроводом 5 с водоисточником 2. К насосу 4 подключен проложенный вдоль поля транспортирующий трубопровод 6 и отходящие от него по полю поливные трубопроводы 7. Насос 4 подключен кабелем 8 к центральному узлу 9, к которому также подключен кабель 10, проложенный вдоль трубопроводов 6 и 7. На поливных трубопроводах 7 установлены генераторы аэрозоля 11, каждый из которых состоит из корпуса 12 с электродвигателем 13. На валу электродвигателя установлен вентилятор 14, за ним на кольцевой трубке 15 смонтированы форсунки высокой дисперсности 16, а на кольцевой трубке 17 - форсунки низкой дисперсности 18. Трубка 15 присоединена шлангом 19 к насосу 20 высокого давления, который сообщен через управляемый контроллером электромагнитный клапан 21 и шланг 22 с трубопроводом 7. Кольцевая трубка 17 подключена к трубопроводу 7 шлангом 23 через электромагнитный клапан 24 с управляющим контроллером. Корпус генератора аэрозоля 12 с помощью полуосей 25 крепится на стойках 26 подвижной части 27 рамы с возможностью поворота в вертикальной плоскости на 180°. В верхней части стойки 26 установлен электропривод 29 с управляющим контроллером, сопряженный с шестерней 34, установленной на полуоси 25. Подвижная часть 27 рамы сопряжена с неодвижной 28 с помощью подшипников. На неподвижной части 28 рамы закреплены насос 20 высокого давления и размещен привод с управляющим контроллером 30, сопряженный с помощью ременной передачи 31 с подвижной частью 27 рамы. Управляющие контроллеры выполнены на базе компактного встроенного компьютера (например, АКМ). Питание электрооборудования генератора аэрозоля осуществляется от кабеля 10 по проводу 32 через коммутатор 33, установленный на неподвижной части 28 рамы. Управление работой двигателя 13, насоса 20 высокого давления, электромагнитных клапанов 21 и 24, электроприводов 29 и 30 осуществляется с центрального узла 9 (фиг. 1) по беспроводной системе (WiFi, WiHix, 3G/Lte) на основании информации, полученной от автоматизированного измерительного комплекса, включающего датчики температуры и влажности почвы и приземного слоя воздуха, а также скорости и направления приземного ветра.
Пример осуществления предлагаемого способа регулирования фитоклимата поля с помощью предлагаемой системы:
Среднюю площадь орошаемого участка 1 примем равной 50 га. Размеры поля - 1000×500 м. Систему регулирования фитоклимата на поле размещают с учетом розы ветров. Трубопроводы 7 укладывают через 100 м, перпендикулярно направлению ветра, преобладающего в период вегетации. Аэрозольные генераторы на поливных трубопроводах размещают через 50 м.
Информация о скорости, направлении приземного ветра, температуре и влажности приземного слоя воздуха и почвы в режиме реального времени поступает на компьютер центрального узла 9, который по результатам ее анализа выбирает рабочую программу. Так например, при достаточной влажности почвы и превышении дневной температуры более 25°С с влажностью воздуха менее 50% центральный узел 9 включает программу понижения температуры приземного слоя воздух и увеличения его влажности. В соответствии с этой программой включается энергетическая установка 3, которая обеспечивает энергопитание всей оросительной системы. В зависимости от скорости приземного ветра центральный узел 9 с помощью управляющего контроллера и привода 29 устанавливает положение корпуса 12 в вертикальной плоскости. Чем больше скорость приземного ветра, тем меньше угол относительно поверхности поля.
3
Направление приземного ветра учитывается поворотом корпуса 12 в горизонтальной плоскости с помощью управляемого контроллером привода 30. После установки аэрозольных генераторов 11 в рабочее положение компьютер центрального узла 9 дает команду на включение насоса 4 для подачи воды в трубопроводы 6 и 7 с последующим включением насосов 20 высокого давления. Контроллер открывает электромагнитный клапан 21, и вода по шлангу 19 и трубке 15 поступает в форсунки 16 высокой дисперсности (размер капель 50-70 мкм). Одновременно включается электродвигатель 13. Вентилятор 14 подает поток воздуха на распыляемую форсунками 16 воду, выбрасывая факел аэрозоля на высоту до 10 м. Скорость оседания таких капель составляет 0,12 м/с. Таким образом, до поверхности земли эти капли будут оседать в течение 1,5-2 мин, поэтому большая часть их испарится, повышая влажность воздуха и понижая его температуру. Для увеличения влажности воздуха над участком 1 с 50-55% до 70% необходимо распылить порядка 4,6 м воды. В процессе испарения воды одновременно с повышением влажности воздуха будет понижаться его температура на 6-8°С. При снижении температуры до 22-25°С подача воды согласно программе прекращается.
В зависимости от конкретных условий микроклимата поля задается режим работы генераторов аэрозоля 11, например, одновременная работа всех генераторов, установленных на одном трубопроводе 7, с последующим их отключением и включением генераторов, установленных на следующем поливном трубопроводе 7. Порядок включения генераторов 11 изменяется также с учетом направления приземного ветра. Если оно совпадает с направлением расположения поливных трубопроводов, то краевые аппараты с подветренной стороны в работу не включают, предотвращая снос аэрозоля за пределы участка 1. Система дистанционного управления каждым отдельным генератором создает возможность наиболее рационального регулирования фитоклимата на поле путем применения различных схем включения генераторов аэрозоля.
При понижении влажности основного корнеобитаемого слоя почвы (20-25 см) менее 60% НВ компьютер центрального узла 9 включает программу проведения увлажнительного полива. Увлажнительный полив проводят преимущественно в период с 20 часов вечера до 10 часов утра, когда наблюдается минимальное испарение. Для его проведения подается сигнал на открытие клапана 24 и подачу воды из трубопровода 7 по шлангу 23 и трубопроводу 17 к форсункам 18. При этом корпус 12 устанавливают с помощью привода 29 под углом 10-15° к горизонтальной плоскости. Привод 30 работает в режиме возвратно-поступательного движения по сектору 180° в горизонтальной плоскости. Полив проводят циклами при одновременном включении генераторов 11 на одном трубопроводе 7 на 20-30 мин. После их отключения включаются генераторы 11 следующего трубопровода 7. После завершения полива в одном направлении на всех трубопроводах 7 корпус 12 разворачивают на 180° в вертикальной плоскости и полив проводят в режиме возвратно поступательного движения с противоположенной стороны трубопроводов 7. Размер капель, подаваемых из форсунок 18, составляет 100-300 мкм. Скорость падения таких капель порядка 0,18 м/с, при высоте разбрызгивания 2-3 м большая часть капель осядет на почву и поверхность листьев с последующим отеканием на поверхность почвы. Чередование рабочих циклов с подачей воды по сектору обеспечит увлажнение почвы без образования поверхностного стока. Полив продолжается до достижения заданного программой уровня влажности почвы, после чего компьютер центрального узла 9 дает команду на прекращение полива.
Во время длительной воздушной засухи при установлении приборами образования восходящего потока воздуха, создающего угрозу иссушения почвы и перехода воздушной засухи в засуху, генераторы 11 включают в рабочий режим, сочетающий одновременное крупнодисперсное увлажнение почвы и мелкодисперсное увлажнение воздуха на высоту до 2 м. При этом увлажнение почвы обеспечит снижение ее температуры и температуры приземного слоя воздуха и соответственно прекратит формирование восходящего потока нагретого воздуха. Одновременное мелкодисперсное увлажнение воздуха обеспечит снятие возможного температурного стресса у растений.
Таким образом, реализация предлагаемого способа регулирования фитоклимата поля с помощью предназначенной для его осуществления оросительной системы обеспечивает автоматическое поддержание благоприятных для растений условий в течение всего вегетационного периода на всей площади поля и позволяет предотвратить ущерб от любых видов засухи, в том числе на посевах культур сплошного сева.