Дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв
Владельцы патента RU 2611719:
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВПО ДГАУ) (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству, мелиорации и может быть использовано для проведения лабораторно-полевых опытов по изучению безнапорной водопроницаемости почв. Дождеватель выполнен в виде грядилей из трубок с отверстиями. Отверстия высверлены под углом друг к другу и ориентированы вверх так, что в полете струйки воды соударяются и частично разрушаются на капли. Окончательно энергия струек гасится в отражателе. Отражатель выполнен в виде перевернутого вверх дном противня с бортиками. Отражатель установлен соосно выше дождевателя. Расстояние между дождевателем и отражателем регулируется направляющими с резьбой, гайками и контргайками. Дождеватель и отражатель смонтированы на водопроводящем трубопроводе. Трубопровод имеет вид двухплечевого рычага с равными моментами сил и закреплен на опоре из коаксиально расположенных труб. Опора снабжена основанием и анкерами. Обеспечивается точность учета выпадающих осадков искусственного дождя при широком диапазоне регулирования структуры, интенсивности дождя, крупности капель и их кинетической энергии. 3 ил.
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.
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, м2 за время t, мин:
ρcp=V/S*t, мм/мин.
Для различных дождевальных машин, установок и аппаратов средняя интенсивность дождя находится в пределах от ρср=0,1 мм/мин до ρср=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.
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 Ек (ЭРГ, дж, кГм) падающей капли дождя, условно приняв ее форму за шар, рассчитывают по формуле:
,
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/сек2. 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).
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 tвп от начала выпадения первых капель tн факела искусственного дождя 17 до начала образования лужиц на опытной площадке tл равен периоду, когда средняя интенсивность дождя ρср соответствует безнапорной водопроницаемости почв Kвп при орошении дождеванием, tвп=tл-tн, мин и ρср=Kвп, мм/мин.
Следовательно, учитывая вышесказанное средняя величина безнапорной водопроницаемости почв при дождевании от начала опыта и до образования лужиц будет равна:
Kвп=V/S*tвп, мм/мин.
Промежуток времени tg от tн - начало выпадения первых капель факела искусственного дождя 17 до начала формирования стока на опытной площадке tст, образования ручейков между лужицами - соответствует времени выдачи допустимой величины поливной нормы mдоп, мм или м3/га при соответствующей средней интенсивности дождя ρср. Величина допустимой поливной нормы будет равна:
mдоп=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.
Дождеватель для изучения безнапорной водопроницаемости почв, включающий источник воды с насосом, трубопровод с дождевателем, манометром и разбрызгивателем воды, отличающийся тем, что дождеватель выполнен в виде грядилей из трубок с отверстиями, высверленными под углом друг к другу и ориентированными 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 водоотводящем трубопроводе в виде двухплечевого рычага с равными моментами сил, закрепленном на опоре из коаксиально расположенных друг в друге труб с основанием и анкерами, которые обеспечивают возможность изменения расстояния между дождевателем и почвой и устойчивость конструкции в пространстве.
