Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогнозирование газового режима тепличных грунтов при нагнетании в них воздуха через дренажную сеть

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование газового режима тепличных грунтов при нагнетании в них воздуха через дренажную сеть"

гу У *

Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ имени А.Н.КОСТИКОВА

На правах рукописи УДК 631.6:532.546

ДАИШЕВ ШАМИЛЬ ТАЛГАТОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ТЕПЛИЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ НАГНЕТАНИИ В НИХ ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ДРЕНАЖНУЮ СЕТЬ

Специальность 06.01.СЕ - Мелиорация и орошаемое земледелие

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1988

Диссертационная работа выполнена в Северном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации /СевНИИГиМ/

Научные руководители - Заслуженный деятель науки и

техники PCSCP, доктор технических наук, профессор Патрашев А.Н.] . Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Штыков В.И.

Официальные оппоненты: Член-корреспондент ВДСЖШ,

доктор технических наук, профессор Маслов Б. С.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Цвдрис Д. Б.

Берущее предприятие: Ленгипроводхоз

■Занята состоится " 10 " /^£>¿#¿>/2^ 1988 г. в d.0 часов на заседании специализированного совета К 099.05.01 по присуждению ученых степеней Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации имени Л.Н.Костикова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая, 44, БНИИГиМ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНЙНГиМ

Автореферат разослан " 30 " ^/У/ЪуДА^ 1988 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

В.П.Баякина

5 ОЕЩШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

з. ; : : ¡Актуальность теш. Успешная реализация Продовольственной програм-*-ТД%Й1 у

;сертгции . - к Шкв>

выполнение задач, поставленных перед мелиоративной наукой и прак-, Октябрьским /1984 г./ Пленумом Щ КПСС и 27 съездом КПСС, требует разработки и внедрения в производство новых, технически более совершенных мелиоративных систем, обеспечивающих комплексное регулирование основных факторов кизни растений путем создания оптимального водно-воздушного, пищевого, теплового и газового режимов почвы.

В настоящей работе исследуется способ регулирования газового режима почв, заключающийся в нагнетании в почву атмосферного воздуха через дренажную сеть. Проведенные ранее в этом направлении исследования показали, что применение данного способа позволяет устранить потери урожая от переувлажнения, довести условия увлажнения до оптимальных, повысить урожайность и является экономически эффективным при выращивании овощных культур в защищенном грунте на фоне комплексного регулирования основных факторов внешней среды - водного, воздушного, пищевого и теплового режимов тепличного субстрата и микроклимата атмосферы. Однако в проведенных ранее исследованиях: не установлено связей между расходом нагнетаемого воздуха, газовым режимом почвы и параметрами мелиоративных систем. Поэтому актуальной является разработка научного обоснования технологии регулирования газового режима почвогрунтов при нагнетании в них воздуха через дренажную сеть.

Целью работы является исследование процесса регулирования качественного состава почвенного воздуха и разработка методики прогнозирования газового режима почвогрунтов при подаче в них атмосферного воздуха через дрены-аэраторы, научное обоснование технологии регулирования газового режима тепличных грунтов.

Метод исследований. Для решения поставленных задач применялись теоретические, лабораторные и полевые методы исследований, математическое моделирование изучаемых процессов, на ЭВМ. Полученные расчетные зависимости, модели и методики проверялись по результатам лабораторных и полевых исследований на Фильтрационных колонках, лизиметрах, фильтрационных лотках и опытных системах.

Научная новизна. В работе впервые: получены расчетные зависимости для определения воздухопроницаемости и геометрических характеристик воздухопроводящих лор влажных почвогрунтов; проведены теоретические и экспериментальные исследования газообмена между газовой и жидкой фазами в биологически активных почвогрунтах; разработана методика прогнозиро-

вания газового режима почвогрунтов при подаче в них воздуха через дрены-аэраторы; разработана методика гидравлического расчета систем аэрационного дренажа в условиях защищенного грунта.

На защиту выносятся: Расчетные зависимости для определения воздухопроницаемости и геометрических харектеристик воздухопровода?«: пор влажных почвогрунтов; модель газообмена между газовой и жидкой разами в биологически активных почвогрунтах; методика прогнозирования газового режима почвогрунтов при подаче в них воздуха через дрены-аэраторы; обоснование элементов технологии регулирования газового режима тепличных грунтов системами аэрационного дренажа.

Практическая ценность. Исследованиями научно обоснована технология регулирования газового режима тепличных грунтов системами аэрационного дренажа. Разработанные методики прогнозирования газового режима и гидравлического расчета систем аэрационного дренажа позволяют определить необходимую норму подачи воздуха, диаметры дрен и коллекторов, параметры вентиляторной установки. Применение систем аэрационного дренажа в зимних теплицах является экономически выгодным мероприятием и фактором интенсификации тепличного овов^ево детва, обеспечивающим опере-жаюсрП! рост урожайности по отношению к росту капиталовложений. Расчетный годовой экономический эффект составляет 1,4-3,8 руб/ы^.

Реализация работы. Результаты исследований прошли проверку в произведет чекних условиях на опытных системах аэрационного дренажа в теплицах совхоза "Предпортовый" и СПО "Лето" Ленинградской области. Методики расчета и проектирования систем аэрационного дренажа в зимних теплицах переданы для внедрения институту НШТИМЗСХ НЧЗ Р(®СР,

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсудцались на научно-технических конференциях: "Мелиорация переувлажненных земель"/Л.,1978/,"Пути повышения эффективности мелиоративных систем НЧЗ Р®СР'7Л., 1981/, "Повышение эффективности мелиорации земель"/Л.,1983/, "Проблемы и перспективы комплексного использования естественных отходов животноводческих производств"/Л.,1985/; научных семинарах кафедр гидравлики, инженерных мелиораций, гидрологии и охраны окружающей среда ЛЖ им. М.И.Калинина, секции осушения Ученого Совета ЗШИГий и»:. А.Н.Костякова. Разработки соискателя демонстрировались на ДЦНХ СССР и отмечены бронзовой медалью /1983/.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 6 научных работах, защипаны 2 авторскими свидетельствами на изобретения.

Объем работы. Диссертация содеротт введение, пять глав, выводы и рекомендации, библиографию из 118 наименований и 21 приложение. Общий объем диссертации 189 стр. .включающих ГГ9 стр. основного текста, 32 рис.,10 табл. н 42 стр. с приложениями, содержащими 14 рис. и 18 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и выносимые на защиту результаты.

В первой главе дан анализ работ, посвященных экспериментальнш и теоретическим исследованиям газового режима почв, методам его регулирования и влиянию на урожайность сельскохозяйственных культур.

Вопросы разработки систем комплексного мелиоративного регулнрова ния рассмотрены в работах В.Б.Шумакова, Б.С.Маслова, А.И.Голованова, Е.П.Галямина, Г.И.Афанасина, Д.Б.Циприса, В.В.Шабанова, С.Н.Никольско го и др. В число основных факторов внешней среда, подлежапрсх регулированию гидромелиоративными и агротехническими средствами, выделяется также и газовый режим почвы.

В настоящее время экспериментально исследованы основные алеиетти газового режима: интенсивность выделения почвой COg и поглощения 0^, коэффициенты диффузии газов во влажных почвогрунтах, проведены многочисленные режимные наблвдения за динамикой состава почвенного воздуха, сформулированы требования сельскохозяйственных культур к составу почвенного воздуха, обобщенные в работах И.П.Гречина, И.Н.Николаевой, Н.П.Поясова и др.

Для описания формирования газового режима по почвенному профилю И.Б.Ревут, Н.П.Поясов, П.П.Гончар-Зайкин, ß Radfotd, Я Papendiek, P.Hovfatik и др. использует уравнение диффузии газов в почве в виде:

где РА - пористость аэрации; С - объемная концентрация газа; t - время; 3)(х) - коэффициент диффузии газа в почве; - коэффициент биологической активности - объем газа,образующегося или поглопрю-щегося в единице объема почвы в единицу врзкени.

Уравнение (I) не учитывает изменения содержания газов в растворенной форме, хотя для хорошо растворимых газов, каким является 002, количество растворенного в почвенной влаге газа сопоставимо с количеством газа в почвенном, воздухе.

Исследованиями воздухопроницаемости почвогрунтов зоны аэрации занимались 5). Evans, 2>. Hixkham, L.Gzouez, R. Tuzski, К. ЩОигу- и др. Несмотря на обилие экспериментальных данных, в работах указанных кетэ авторов не установлено достаточно тесных связей воздухопроницаемости с влажностью и водно-Физическими свойствами почвогрунтов.

При нагнетании в почву воздуха наряду с диффузионнши потоками, возникнут фильтрационные потоки габов. Основные закономерности и метода решения зздач дайфузии в фильтрационных потоках обобщит в работах

А.Н.Патрашева, Н.И.Дружинина, Н.Н.Веригина, А.Б.Казанского и др. Менее изучена диффузия при неполном насыщении почвогрунта жидкостью. Автором не выявлено работ по диффузии в фильтрационных потоках газа в трехфазной системе "газ-жидкость-скелет грунта" в условиях физико-химического взаимодействия газа и жидкости.

Вопросы регулирования водно-воздушного режима тепличных грунтов рассмотрены в работах В.С.Богданова, Е.И.Ермакова, Г.М.Кравцовой, Г.Н. Закатовой, Ф.И.Павлова, Г.И.Афанасика, П.А.Рябцева и др. По сравнению с естественными почвами, тепличные грунты отличается на порядок большей биологической активностью, вследствие чего при рекомендуемых и фактически наблюдающихся значениях пористости аэрации 20-30 % от объема. грунта в их нижних горизонтах формируется неблагоприятный газовый режим. Трехлетние исследования Н.М.Глунцова и В.С.Паукова в зимних грунтовых теплицах .показали, что аэрация тепличного грунта, путем нагнетания воздуха в специально заложенную аэрационную дренажную систему, увеличивает райний урожай огурца на 14-22 общий урожай на 10-13 %, прибыль на 1,3-1,8 руб,'ги улучшает качество продукции. Указанные эксперименты были выполнены на эмпирической основе и не позволили дать научное обоснование рассматриваемого способа регулирования газового режима.

Во второй главе изложены результаты исследований воздухопроницаемости почвогрунтов зоны аэрации.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на приборах, обеспечивающих постоянный перепад давления 150-1500 Да. Результаты измерений обрабатывались по формулам, вытекающим из закона Дарси в линеаризованной форме, применимость которого устанавливалась путем контроля пропорциональности между расходом профильтровавшегося воздуха и перепадом давления.

Анализ экспериментальных кривых зависимости воздухопроницаемости от влажности показал /рис.1/, что воздухопроницаемость песчаных почвогрунтов в интервале влажности 04 ИГ£ 0,2П /где П - пористость/ снижается пропорционально уменьшению эффективной пористости аэрации. Воздухопроницаемость связных структурных почвогрунтов в интервале влажности 04 21г£710{ остается постоянной, причем величина 2На составляет от 0,4 до 0,9 внутриагрегатной пористости. В указанном интервале влажности внутриагрегатнне поры не принимают участия в фильтрации воздуха. При некотором значении влажности "Щ в интервале 0,7/14 7Щ 4 0,0/7 почвенный воздух переходит в защемленное состояние. Полевые измерения показали, что в условиях естественного залегания почвогрунтов, тенденция к уменьшению их воздухопроницаемости с ростом влажности осложняется пространственной вариацией влажности и водно-физических свойств.

<а С«>г»<0 см

Г™ 2

ОС!

ВСЯ

г ПЕСОК ПЫЛЕВйТЫЙ N..

V • п = о,адз о П - П ЫР

\ % 0 = 0,415

\

-V-

Щ Сгг» 10 см

0.1

оо1

ПЕСОК КРУПНЫЙ

к

1

• П=0,323 о П = 0,352 хп= 0,394

X

-х- СУПЕСЬ

"Ч

с- \\

оП = 0,430 о С^£02 х И = 0,516 *

*

А

м

\

.

Л

0 0,2 0,4 0,6 0,8 иг О 0,2 0,4 0,5 0,8 УГ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Ж

Рис.I.Зависимость коэффициента воздухопроницаемости от влажности

При построешш расчетных зависимостей за основу принята модель грунта в виде совокупности фильтрационных ходов с криволинейными осями, коэффициент извилистости которых 0,51С . В.И.Итыковым показано, что в ршяках этой модели коэффициент проницаемости -С и диаметр расчетного фильтрационного хода с криволинейной осью - <1 выражаются зависимостям:

С = 4 ; (2)

14ш>

(3)

где - коэффициент разнозернистости; ¿4) - диаметры частиц

почвогрунта, меньше которых в его составе содержится соответственно 60,17 и ТО % по массе.

Коэффициенты корреляции между экспериментальными и расчетными по зависит, гости (2) значениями воздухопроницаемости в воздушно-сухом состоянии составили з песках X > 0,85, в связных структурных почвогрунтах 1 > 0,66, причем в последнем случае учитывалась только активная мекаг-регатная пористость -Пца-

Коэффициент воздухопроницаемости при влажности "2¿Г" выражается через воздухопроницаемость почвогрунта в воздушно-сухом состоянии:

г _ г Лр" ~ ^ ' р

_иг

(4)

где Пцг, (¡щ- - пористость аэрации и диаметр среднего расчетного фильтрационного хода при влажности "ЦТ ".

/V

Отношения ур

йиг

аппроксимировались зависимостями, удовлет-

воряющими экспериментальным данным и геометрии принятой модели потао-грунта. Расчетные зависимости для определения коэффициента воздухопроницаемости -Сиг, расчетного диаметра - быи удельной кинетической поверхности воздухопроводяцих пор - &-иг имеют следующий вид.

Для песчаных почвогрунтов:

■ с V1 иг3>

п~ж 0,8/1

(1Ш=(1-

при при

при

О Ш« 0,2П 6,2/7 <УПЩ О ЩГ<0,2П

/

п-иг

0,8 П

е = jm.it-ш:)

при 0.2/7 < гг/ч г^

при

О ^ ЫГ 4 Щ

Дня связных структурных почвогрунтов:

при

С

= с [ иГз-Ш п- ЫГ

/ щ-щ п-игА

(1ш ~ 1

игз-т

при

при при

при при

О ¿ги-^Щ*. гиА<игаиг3 ,

О ¡¡иГ£: ЫГЛ щ, < иг Ц -и/з ,

0 4 Ж 4 НО)

щ<иг ^ иг3.

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

ЦО)

Средние квадратшеские отклонения расчетных значений воздухопроницаемости от экспериментальных в диапазоне изменения воздухопроницаемости от до 10"® см^ составили: для песка пылеватого - 26 %, песка мелкого и средней крупности - 21 %, песка крупного - 18 супеси - 38 %, суглинка легкого - 22 %, суглинка среднего - 21 %, суглинка тяжелого - 29 %. Соответствие расчетных и экспериментальных значений воздухопроницаемости мояно считать удовлетворительным, следовательно зависимости (6), (7), (9), (10) можно использовать для определения геометрических характеристик воздухопроводящих пор влажных почвогрунтов, В третьей главе рассматриваются основные закономерности передвижения газов в биологически активных почвогрунтах.

При влажности близкой к наименьшей влагоемкости поверхность частиц почвогрунта покрыта водяной пленкой, в которой протекают реакции окисления углеводов, дыхание микроорганизмов и корней растений, сопровождающееся выделением С02 и поглощением 02. Часть объема пор, занятая

воздухом, образует непрерывные каналы, сообщающиеся с атмосферным воздухом, по которым протекает диффузия СО^ в атмосферу и диффузия 02 в обратном направлен™. В рамках рассмотренной выше модели почвогрунта, распределение воды и воздуха можно представить в виде коаксиальной водяной трубки с центральным воздушным каналом, геометрические характеристики которых - расчетный диаметр воздушного канала и толщина водяной пленки определены в главе 2. Диффузионный характер газообмена обуславливает изменение концентраций газов по толщине водяной пленки и поперечному сечению воздушого канала, вследствие чего требует исследования вопрос о применимости дифференциальных уравнений диффузии газов к биологически активным почзогрунтам.

Анализ стационарной диффузии растворенных в коаксиальной водяной трубке газов, динамики газообмена между газовой и жидкой базами, диффузии газов в центральном воздушном канале показал, ото в любой момент времени средняя концентрация растворенных газов находится в динамическом равновесии, т.е. связана законом Генри, со средней концентрацией газов в почвеш-гом воздухе. Этот енвод был проверен экспериментально, путем одновременного определения концентрации газов в почвенном растворе и почвенном воздухе в одном и том :ке горизонте зоны аэрации.

В дальнейшем рассматривается диффузия газов в длинных каналах /длиной - £ /, при нал1гчии в них ламинарной конвекции с относительно малой средней скоростью V , когда ~ , т.е. время,необходимое

для выравнивания концентрации в радиальном направлении в результате радиальной диффузии, значительно меньше времени, необходимого для заметного изменения концентрации в радиальном направлении вследствие продельной конвекции. Проделанный С. ТауРоТ анализ показал, что в этом случае концентрации газов в поперечном сечении воз,пушных пор можно считать постоянными. Таким образом, уравнение конвективной диффузии газоЕ в биологически активных почвогруктах принимает вид:

где Л - коэффициент растворимости газа в воде;

- коэффициент конвективно;! диффузии газа в почвогрунте; 1Г - скорость фильтрации воздуха. В отличие от 3,-равнения (I) , уравнение (II) учитывает изменение содержания газов в почвенном растворе.

Экспериментальные исследования проводились на фильтрационной колонке длиной С,5 м и диаметром 0,252 м, заполненной влажным торфом. Через нижний поддон в колонку со скоростью 1Г нашетался атмосферный воздух, т.е. граничные условия имели вид: ШШ1И - у[СА -С(0,$ . В первой серии опытов грунт на верхнем конце колонки сообщался с'

х Г И

ДО

о;

а) о

21 15

10 5

б) О

Vе

г 0 / \ Ре=^ ° V)

г |\ 1 \ 7 *

и ^ У 1 ^ I £

- 1

50

то

0 , ал 1 1

РегЗ/З, ( °

/ / « \ о 1

> 1 N ч]

1 1 4- оЧи,

з= СП о ю о Г "СЬг

© 0 0 0

О 0,422 Д399 0,185

□ 1,85 1,75 0,727

Д 5,02 ¿1,75 1,9 7

\г

15 18 С,%

С,% • ,____£---1 ш *

♦ 0г

О сог

у. ¡3-о-»-

р-И

211 £Ра 7П

ге

Тгп5

Vt

¡.О

2.0

3,0

5,0

Рис.2.Экспериментальные и расчетные концентрации газов: а/ по длине колонки; б/ на выходе из колонки

атмосферным воздухом, т.е. экспериментально определялось

распределение концентраций С02 и 02 л|> дайне колонки /рис.2 а/. Во второй серии на верхний конец колонки монтировалась крышка с краном для выпуска и отбора проб профильтровавшегося воздуха, т.е. ^-0 , экспериментально определялись концентрации С02 и 02 на выходе из колонки /рис.2 б/. Полученные результаты показывают, что изменения концентраций 02 происходят значительно быстрее чем С02, что объясняется различием в растворимости этих газов, в силу чего для одного и того же значения времени Ь - Тещ < Тдг • Коэффициенты корреляции между расчетными и экспериментальными значениями концентраций С02 и 02 в первой серии опытов составили 0,95 <гсо£< I /90 проб/, 0,86 < г0г< I /35 про б/; во второй серии опытов 0,92<г^<1 /95 проб/, 0,94 < %0г< I /93 цробы/.

В четвертой главе рассматривается методика прогнозирования газового режима почвогрунтов при подаче в них воздуха через, дрены-аэраторы.

При фильтрационных расчетах аэрационного дренажа в большинстве случаев можно считать, что граница зоны аэраций располагается на глубине, близкой к глубине заложения дрен /рис.З/. Расчеты показали, что необходимый для практических целей аэрационный эффект достигается при сравнительно низких скоростях течения воздуха в порах, когда Ус1иг <0,1 а коэффициенты конвективной дайузии газов равны коэффициентам®0

Рис. 3. Расчетная схема зоны аэрации

молекулярной диффузии газов в почвогрунте, т.е. . Распределе-

ние концентраций газов в зоне аэрации описывается уравнением:

С(х,у,о) = от;

(12)

с начальными условием: и граничными условиями:

0< х<0,5?, У=И,

№;

х=о, хо<у<Ь, о;

ох дх

гА<х<оМ,

Тх §=0>

хг+У=г?, а>Ш= (С-С)' А' дх я''

где <? - удельный, на единицу дайны, расход воздуха из-дрен; 1Гх,Щ - составляющие скоростей фильтрации воздуха в зоне аэрации.

Фильтрация воздуха в почвогрунтах при небольших градиентах давления описывается законом Дарси в линеаризованной форме. Для определения величин $ , Ух , Уу использовалось решение Д. Киркхема. Учет фильтрационной неоднородности зоны аэрации производился виртуальным способом.

При численном решении уравнение (12) с соответствующими начальными и граничными условиями аппроксимировалось неявной продольно-поперечной схемой, разностные уравнения решались методом прогонки. В результате проведения численных расчетов установлено, что полная оптимизация газового режима достигается на расстоянии до 2-2Г/? , а частичное регулирование газового режима возможно на расстоянии до ъЬ от дрены, где Ь - глубина заложения дрен. Анализ влияния вертикальной неоднородности диффузионных и фильтрационных свойств почвогрунтов показал, что эффективность регулирования газового рекша возрастает при уменьшении пористости аэрации верхних слоев, по сравнению с нижними и наоборот.

Экспериментальные исследования проводились на грунтовом лотке, загруженном влажным торфом, при Р = 2,4 м, Н - 0,6 м, -Д- «. 8-20. Коэффициенты корреляции между расчетными и эксперямэнтальшми значим-

Изолинии концентраций сог Естественная аэрация нагнетание воздуха

Рис.5. Влияние удельного расхода воздуха на эффективность регулирования газового режима тепличных грунтов: 0,2; (А = 2-КГ6 с-1

ями концентраций газов в зоне аэрации по дачным 60 определений составили: 0,86 < 1Свг< I, 0,60 < Чог< 0,94.

Разработанная методика использовалась для. прогнозирования газового режима тепличных грунтов, при подаче в них воздуха через дрены-аэраторы. С учетом того, что в современных блочных теплицах с пролетом секции 6,4 м огурцы и томаты выращивает по четырехрядной схеме /рис.4/, расстояние между дренами-аэраторами целесообразно принять равным 3,2 м, располагая их между двумя рядами растений в слое дренажного песка на подстилающих грунтах. При рекомендуемой толщине корнеобитаемого слоя 0,3 м и толщине слоя дренажного песка 0,2 м глубина заложения дрен-аэраторов составит 0,5 м.

Почвенный профиль в зимних теплицах отличается неоднородностью фильтрационных, диффузионных и биологических свойств по глубине. Коэффициент биологической активности корнеобитаемого слоя изменяется в пределах (1,4-2,9)-10"®с~^, слой дренажного песка является биологически инертным. Коэффициент воздухопроницаемости корнеобитаемого слоя при

влажности соответствующей наименьшей влагоемкости составляет (1-5)-10

о Я 7 2

см , дренажных песков 10 -ТО см' . В результате проведения численных

расчетов установлена взаимосвязь между удельным расходом воздуха из ,дрен-аэраторов и газовым режимом корнеобитаемого слоя при различных возможных значениях пористости аэрации и биологической активности тепличного субстрата /рис.5/. При оценке эффективности регулирования газового режима предполагалось, что содержание СО2 в грунте не должно превышать 2 %. Учитывая, что в условиях активного регулирования газового режима растения и аэробная микрофлора без ущерба выдерживают более высокие концентрации СО^, чеы в условиях естественной аэрации, зона допустимого талового режима при нагнетании воздуха ограничивалась значения™ концентраций СО^ 2-4 "Л. Расчеты показали, что при средней биологической активности тепличного субстрата и рекомендуемых значениях пористости аэрации,подача воздуха с удельным расходом (0,3-0,7)-10~\2/с позволяет обеспечить оптимальный и допустимый газовый режим в корнео-битаемом слое.

В пятой главе рассматривается технология регулирования газового режима тепличных грунтов системами аэрационного дренажа.

В системах аэрационного дренажа воздух от вентиляторной установки поступает в коллектор, распределяется по дренам ^фильтруясь через почвогрунт, аэрирует его. Удельный расход воздуха из дрен в каждом сечении пропорционален манометрическому давлению в дренах. Потери давления воздуха при течении его по дренажно-коллекторной сети обусловливают неравномерность удельного расхода воздуха из различных дрен системы,

которую можно оценить коэффициентом неравномерности аэрации:

т - Рх аз)

где Рк - манометрическое давление воздуха на входе в коллектор; ¿Рк,лРа ~ потери давления, соответственно в коллекторе и дренах. Целью гидравлического расчета является определение давления воздуха на входе в систему - Ри , подбор диаметров дрен ~С/д и коллектора - с^ц , обеспечивающих достаточно равномерную аэрацию //^ < 1,2-1,3/ при заданном расходе воздуха на входе в систему - .

Предварительные расчеты показали, что необходимый для практических целей аэрационный эффект достигается при небольших удельных расходах воздуха, когда в дренах имеет место ламинарный, а на большей части длины коллекторов турбулентный режим течения воздуха, соответствующий зоне гидравлически гладких труб. При гидравлическом расчете коллектор и дрены рассматривались как длинные воздухопроводы низкого давления с непрерывным отбором воздуха по длине, величина которого пропорциональна меноыетрическому давлению в данной точке воздухопровода. Полученные расчетные зависимости имеют вид:

А .Ао^Я^ЧГ-.

тА*£+цом-п - (15)

йк '¿>

где В - коэффициент, зависящий от параметров системы и воздухопроницаемости почвогрунта - Сцг', Ад - число дрен.

Экспериментальные исследования потерь давления в системах аэраци-онного дрэнажа показали, что давление воздуха на входе в систему уменьшается, а коэффициент неравномерности аэрации увеличивается при увеличении воздухопроницаемости почвогрунта, что согласуется с зависимостями (14) и (15).

Опытная система аэрационного дренажа в зимних грунтовых теплицах СПО "Лзто" состояла из трех полиэтиленовых дренажных труб диаметром 50 мм, длиной 35 м. Дрены-аэраторы укладывались по центру секций пролетом 3,2 ы, в слое дренажного песка на глубине 0,45 м. Корнеобитае-ыый субстрат имел толщину 0,27-0,35 м и представлял собой торфо-песча • нуг смесь в соотношении 5:1. Слой дренажного песка имел толщину 0,1-0,2 ц. Осушительные дрены из асбестоцементных перфорированных труб располагались поперек секций на глубине 0,7 м, с расстоянием между дренами 6м.

Рассада огурца, сорта Московский тепличный, была высажена в I декаде февраля с междурядьями 1,6 м. В период от посадки рассады до

начала плодоношения, концентрация С02 на нижней 1ранице корнеобитае-мого слоя возрасла с 1,3-1,5 % до 2,8-3,5 %, концентрация 02 уменьшилась с 19,7-19,5 % до 18,1-17,3 %. В целом, газовый режим в этот период можно оценить, как допустимый. В течение марта-апреля концентрация С02 возрасла с 3-3,5 % до 5-6 а концентрация 02 уменьшилась с 17,317,8 % до 14,6-15,4 %. Сумма концентраций С02 и 02 была меньше 21 %, что свидетельствует о развитии ' цессов. При подаче возду-

посадки растений снижалась до 2,5 %, а концентрация 02 возрастала до 18,5 %, т.е. параметры газового режима тепличного субстрата находились в допустимых пределах. Давление воздуха на входе в систему в течение вегетации возрастало от 210 до 640 Пэ, коэффициент воздухопроницаемости тепличного субстрата снижался с 6,8*10" до 2,3'10" от".

Опытная система аэрационного дренажа в весенних пленошых теплицах совхоза "Предпортовый" состояла из 9 дрен длиной Эми соединягаце-го их коллектора из полиэтиленовых дренажных труб диаметром 50 мм. Дрены закладывались по осям гряД на подстилающие тяжелосуглинистые грунты. Корнеобитаемый субстрат, низинный торф, укладывался слоем 0,25 м на слой биотоплива толщиной О,I м. Рассада огурца сорта ТСХА-98 была высажена в конце мая на гряды шириной 0,9 м. Растения возделывались по общепринятой для пленочных тедлиц технологии.

За период вегетации средняя обемная масса в слое 0-25 си увеличилась с 0,271 до 0,328 г/см , общая пористость уменыдилась .с 0,846 до 0,814 объема, пористость аэрации при наименьшей влагоемкости /НВ/ с 0,313 до 0,277 объема. Влажность корнеобитаемого слоя изменялась от 75-80 % HB перед полйзем, до 95-100 % HB после полива, составляя в среднем 90 % HB.^Удельный расход воздуха нагнетаемого в систему составил ОДОЗ'ГО"^ м^/с. При этом, давление воздуха в системе в месте присоединения вентилятора изменялось от 40-60 Па -в начале, до 90-120 Па в конце вегетационного периода, что соответствует воздухопроницаемости субстрата (1,4-2,3) 'КГ® см2.

В течение вегетационного периода содержание 002 в тешштаои субстрате контрольных деля-гок на глубине 20-35 см увеличивалось, достигая максимума 4,9-6,7 %, а содержание Og уменьшалось, достигая минимума 15,6-13,7 % в ише-ише, в период наиболее интенсивного роста и плодоношения растений. В дальнейшем, по мере снижения отдачи урожая, концентрации С02 уменьшались, а 02 увеличивались. На аэрируемых делянках концентрации С02 были на 1,5-3,5 % меньше, а 02 на 2-4 % больше. Более благоприятный газовый режим тепличного субстрата на аэрируемых делянках оказал существенное влияние на урожайность огурца. В целом за оборот /ишь-сентябрь/ урожайность на аэрируемых делянках составила

ха в дрены с удельным расходом

концентрация С02 по оси

------характеристики вентилятора

Рис.6. Гидравлический расчет системы аэвадионного дренажа

24,3 кг/м2, при урожайности на контроле 20,6 кг/м2ШСР0)05= 3,2 кг/м2).

Результаты наблюдений за газовым режимом использовались для апробации методики прогнозирования газового режима тепличного субстрата при подаче воздуха в дрены-аэраторы. Коэффициенты корреляции между расчетными и экспериментальными значениями концентраций газов в зоне аэрации по данным 54 определений составили: 0,68<'?ГО2<0.,98; 0,71сХдг< I.

На основании экспериментальных исследований на опытных системах была проведена технико-экономичесйая проработка конструкции системы аэрационного дренажа для зимних блочных теплиц по ТП 810-99. Каждый блок теплицы площадью I га оборудуется двумя отдельными системами, состоящими из 44 фен длиной 35 м, диаметром 0,05 м и соединяющего их коллектора длиной 141 м, диаметром 0,15 м. Поперечный разрез по секции теплицы показан на рис.4. На рис.6 приведены расходная характеристика предлагаемой системы аэрационного дренажа, зависимость коэффициента неравномерности аэрации от расхода воздуха и характеристики вентилятора Ц 6-24 Р 2,65 при частоте вращения 2900 об/мкн. Удельный расход воздуха принят равным 0,53*10 мй/с, расчетный коэффициент воздухопроницаемости, соответствующий влажности наименьшей влагоемкости, 10~®см2.

Удельный годовой экономический эффект при повышении урожайности огурца на 4-10 %, с 27 до 28-29,7 кг/м2 составит 1,38-3,84 руб/м2. При нормативе удельных капитальных вложений на 19Э6-1990 гг. по ТП 810-99 в размере 99,6 руб/м2 и нормативной урожайности 35,1 кг/м2, дополнительные капиталовложения в систему аэращонного дренажа в размере 0,306 руб/м , составляющие 0,31 % от норматива, обеспечат опережающий рост урожайности по отношению к росту капиталовложений.

ОСНОВНЫЕ вывода И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Регулирование газового режима почвогрунтов путем нагнетания в них воздуха через дренажную сеть наиболее целесообразно применять при выращивании овощных культур в условиях теплиц, на фоне комплексного регулирования основных факторов внепней среды - водно-воздушного, пищевого и теплового режимов тепличного субстрата и микроклимата атмосферы теплиц.

2. Разработаны и апробированы экспериментальными данными расчетные зависимости для определения коэффициента воздухопроницаемости, расчетного диаметра и удельной кинетической поверхности воздухоггрово-дящих пор влажных песчаных и связных структурных почвогрунтов.

3. На основе экспериментальных и теоретических исследований газообмена между газовой и жидкой фазами в биологически активных почво-грунтах показано, что в любой момент времени средняя концентрация растворенных в почвенной растворе газов находится в равновесии со средней концентрацией газов в почвенном воздухе. В нестационарные уравнения диффузии и конвективной диффузии газов в биологически активных почвогрунтах необходимо включать члены, учитывающие газообмен между газовой и жидкой базами.

4. Разработана и апробирована на опытных системах в условиях теплиц методика прогнозирования газового режима почвогрунтов при подаче в них воздуха через дрены-аэраторы. Установлено, что полная оптимизация газового режима почвогрунтов при подаче в них воздуха через дрены-аэраторы достигается на расстоянии до 2-3 [1 , а частичное регулирование газового режима возможно на расстоянии до 5/7 от дрены, где П - глубина заложения дрен. В неоднородных почвогрунтах, уменьшение эффективной пористости аэрации верхних слоев, по сравнению с ¡шжними, сопровождается повышением эффективности регулирования газового режима и наоборот.

5. В зимних грунтовых теплицах, при ширине междурядий 1,6 и, эффективное регулирование газового режима тепличннг субстратов на основе торфа, обеспечивается при расположении дрен-аэраторов между двумя рядами растений в слое дренажного песка на подстилающих грунтах. Удельный расход воздуха из дрен, в зависимости от биологической активности тепличного субстрата, должен составлять (0,3-0,7) •10"4 м2/с.

6. В системах аэрационного дренажа в защищенном грунте дая подачи воздуха можно использовать центробежные вентиляторы среднего давления. При этом, параметры вентиляторной установки определяются по расходной гидравлической характеристике дренажно-коллекторной сети при воздухопроницаемости тепличного субстрата, соответствующей влажности наимень-

шей влагоемкости, /для субстратов на основе торфа ориентировочно (1-3)* Ю-8 см2/. Для обеспечения равномерной" аэрации на всей площади системы диаметр коллектора должен подбираться таким образом, чтобы потери давления воздуха в коллекторе составляли не более 0,2-0,3 от потерь давления в почвогрунте.

7. Внедрение систем аэрационного дренажа в зимних грунтовых теплицах является экономически выгодным мероприятием и фактором интенсификации тепличного овощеводства, обеспечивающим опережающий рост урожайности, по отношению к росту дополнительных капиталовложений на системы аэрационного дренажа. Расчетный годовой экономический эффект составляет 1,4-3,8 руб/ы2.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЯШЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Даишев Ш.Т.,Штнков В.И. Определение воздухопроницаемости и геометрических характеристик воздухопроводящих пор несвязных почво-грунтов // Цуги повыиения эффективности мелиоративных систем в Нечерноземной зоне РО$СР. 1982. С.6&-74. - (Сб.науч.тр./СевНИИГиМ).

2. Штыков В.И.,Даишев Ш.Т. Определение воздухопроницаемости почв и грунтов // Почвоведение. 1986. Р 8. С.120-127.

3. Даишев Ш.Т. Возможности регулирования состава дренажного стока с мелиоративных систем ЗЛО // Роль мелиорации в программе "Интенсификация - 90я. 1986. С.126-Г34. - (Сб.науч.тр./СевНИИГиМ).

4. Даишев Ш.Т.,Штыков В.И. Определение параметров воздуходувной установки в мелиоративных системах с активным регулированием газового реюша почв // Повышение эффективности мелиорации земель. 1984.

С. 109-116. - (Сб.науч.тр./СевНИИГиМ).

5. Штыков В.И.,Даишев Ш.Т. Гидравлический расчет осушительно-аэра-ционного и осушительно-вентилируемого дренажа // Использование и охрана вод в сельском хозяйстве. 1985. С.3-15. - (Сб.науч.тр./СевНИИГиМ).

6. Даишев Ш.Т. Регулирование газового режима почв при нагнетании в них воздуха через дренажную сеть // Использование и охрана лод в сельском хозяйстве. 1985. С.15-27. -(Сб.науч.тр./СевНИИГиМ).

7. А.с.870579 /СССР/. Устройство для подачи воздуха/. З.А.Бишоф, В.И.Шгыков, Ш.Т.Даишев. Заявл.23.01.80. 1° 2870716/30. Опубл. в Б.И.

9 37. 1981.

8. А.с.1158671 /СССР/. Мелиоративная система/. В.И.Штыков, Ш.Т.Даишев, В.И.Пакова. Заявл.04.ОТ.Ы. Р 3685579/30. Опубл. в Б.И. Р 20. 1986.

.4-371 вВ.Л.'-кги.трот.одх вз.За к. 1250.Тир. 100.!0.08.88. Бесплатно