Основные проблемы очистки воды при капельном орошении

Подробности

Просмотров: 10790

М.С. Григоров – академик РАСХН,  В.А. Федосеева
ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Волгоград, Россия
Капельное орошение позволяет в течение вегетационного периода поддерживать в почве оптимальный водный режим и получать экономически оправданные высокие урожаи сельскохозяйственных культур
Почву можно рассматривать как резервуар, хранящий дождевую и поливную воду. Вода испаряется с поверхности почвы, листьев и стеблей растений. Оба вида потерь влаги называются суммарным испарением. Суммарные испарения зависят от типа выращиваемой культуры, стадии роста, температуры, интенсивности солнечной радиации, скорости ветра, относительной влажности и количества почвенной влаги.

Для обеспечения максимального роста и продуктивности, уровень почвенной влаги должен поддерживаться на уровне, который позволяет корням растений впитывать влагу в объемах, соответствующих ее потерям в результате суммарных испарений. Имеющаяся водоудерживающая способность почвы определяется количеством влаги, которое растение может извлекать из почвы. Производительность поля – это количество воды, удерживаемое почвой после дренажа через 1-2 дня после обильного полива (увлажнения). Влажность устойчивого увядания определяет начало и продолжение процесса увядания растения до момента поступления влаги в почву. В такой период растения могут погибнуть. Доступная влага – это разница в содержании влаги между влажной почвой (производительностью поля) и сухой почвой (влажностью устойчивого увядания).
Задача эксплуатационного режима орошения – поддержание оптимальной влажности корнеобитаемого слоя почвы. Для выполнения этой задачи необходимо постоянно контролировать влажность почвы и  испарение с водной поверхности.
С падением количества влаги в почве до уровня увядания растения, резко возрастает сила, удерживающая влагу в почве. Эта сила в отношении к единице площади называется натяженностью почвенной влаги (НПВ). НПВ измеряется в единицах давления или всасывания, называемых барами. Один бар равен давлению в 1 атмосферу либо давлению водяного столба высотой 1030 см. Отношение между количеством доступной влаги и натяженностью почвенной влаги лежит в основе использования основного прибора для определения количества доступной влаги. Это тензиометры, являющиеся наиболее практичными инструментами для определения уровня почвенной влаги в полевых условиях.
Для точного определения уровня почвенной влаги в корневой зоне полевых культур необходимо вышеназванный прибор использовать в полевых условиях не позднее 30 дней после посадки растений (сева).
Размещение прибора в грунте в самом начале сезона роста позволяет корням растений нормально расти и развиваться вокруг датчиков. Определение количества почвенной влаги в ненарушенной корневой зоне является более точным.
Тензиометр представляет собой герметически заполненную водой трубку с пористым керамическим наконечником на одном конце и манометром на другом. Большинство манометров калибруются в сотых долях бара (сантибарах) и имеют шкалу, размеченную от 0 до 100. Станция контроля уровня влаги поля состоит из одного-двух контрольных устройств, помещенных в почву на определенную глубину в зоне основного расположения корневой системы растений. Одна станция располагается в каждой части поля, которая может орошаться в течение одного дня. Для размещения контрольных стан¬ций следует избегать низинных участков рельефа.
Таким образом, решение задачи управления режимом капельного орошения на основе тензиометрического метода сводится к поддержанию в период вегетации оптимальной влажности почвы и соответствующей ей диапазона всасывающего давления. Установлены величины всасывающего давления для плодовых культур, по показаниям тензиометра, при различных порогах предполивной влажности в контуре увлажнения на глубине 0,2 и 0,4 м на расстоянии от капельницы на 0,3-0,4 м.
Нижние границы оптимального влагосодержания – 0,7-0,8(НВ) и, соответственно, тензиометрические показания,  начиная от 30-40 сентибар (0,3-0,4 атм.).
Установка тензиометров проводится после полива участка. Снимать показания тензиометра необходимо в ранние утренние часы, когда температура еще стабильна после ночи. Следует учитывать, что после полива или дождей при повышенной влажности почвы выше предыдущих его показателей, почвенная влага через пористую часть (сенсор) проникает в колбу тензиометра, пока давление в тензиометре не сравняется с давлением воды в почве, в результате чего давление в тензиометре уменьшится, вплоть до исходного, равного 0 или несколько ниже.
Расход воды из тензиометра происходит постоянно. Однако могут иметь место резкие перепады при высокой испарительной способности почвы (жаркие дни, суховей).
Во время полива или после него добавляют в прибор воду, чтобы восполнить ранее вытекшую. Для долива необходимо использовать только дистиллированную воду, добавляя в нее 20 мл на  литр  воды 3%-й раствор гипохлорита натрия, который имеет стерилизующие свойства против бактерий, водорослей. Заливают воду в тензиометр до начала ее вытекания, то есть на весь объем нижней трубки. Обычно требуется до литра дистиллированной воды на каждый тензиометр.
Нужно следить, чтобы в прибор не попала грязь, в том числе с рук. Если по условиям эксплуатации доливают в прибор небольшое количество дистиллята, то и профилактически доливают в прибор дополнительно 8-10 капель 3%-го раствора гипохлорита натрия, что защищает керамический сосуд (сенсор) от вредной микрофлоры.
В конце сезона ирригации осторожно вынимают прибор из почвы, обычно вращательным движением, промывают керамический сенсор под проточной водой, не повреждая его поверхности, протирают 3%-м раствором гипохлорита натрия чистящей подушечкой. При мытье прибор держат только вертикально сенсором вниз. Хранят тензиометры в чистой емкости, заполненной раствором дистиллированной воды с добавкой 3%-го раствора гипохлорита натрия. Соблюдение правил эксплуатации и хранения прибора – основа его долговечности и правильных показаний при эксплуатации.
При работе тензиометров в первое время после их установки, проходит определенный период  адаптации, пока в зоне замера  не сформируется корневая система,  и последние не будут контактировать с сенсором прибора. В этот период можно поливать  с учетом факторов транспирации  весовым методом с водной поверхности. 
Когда корневая система  достаточно  сформируется  вокруг прибора (молодые корни, корневые волоски), то прибор показывает реальную  потребность  в воде. В это время могут наблюдаться  резкие перепады давления. Это наблюдается при резком снижении влажности  и является показателем для  начала  ирригации.  Если растения  хорошо развиты, имеют хорошую корневую систему и хорошо облиственны,– перепад давления, то есть  уменьшение влажности почвы  будет более сильным.
Уровень испарения воды из почвы – фактор, определяющий нормы и интервалы полива. Испарение зависит от двух факторов: испарение с поверхности почвы, испарение воды растением. Чем больше вегетативная масса, тем большая величина испарения воды, особенно при значительной сухости воздуха и высокой температуре. Относительная зависимость этих двух факторов дает большую испаряемость воды за вегетацию. Поэтому, при расчете поливной нормы, вводят коэффициент испарения, учитывающий эти факторы.
Коэффициент испарения растениями (Кисп.) – это соотношение между фактической транспирацией и испарением с открытой водной поверхности за единицу времени. Суточное испарение «Еи» определяется как испарение с открытой водной поверхности площадью 1м2 в сутки и выражается в мм, в л/м2 или м/г.
Суточное испарение (Есут.) растением определяется по формуле
Есут. = Еи × Кисп.
Необходимо организовать ежедневный учет испарения воды с единицы площади. Зная запас продуктивной воды в почве на определенную дату и ежедневный ее расход на испарение, определяют поливную норму. Обычно, в практике фертигации, используют два следующих метода определения поливной нормы. В первом случае на метеопостах устанавливают специальный прибор – эвапориметр.
Количество воды, необходимое растению, напрямую зависит от:
стадии развития растения (листьев, кроны);
метеоусловий (температуры, скорости ветра, интенсивности освещения, относительной влажности).
Вышеназванные  факторы определяют скорость эвапотранспирации – выделения влаги из почвы за счет испарения и через потребление воды растением, а также за счет транспирации. Ее значение определяется при помощи снятия ежедневных замеров в (м/день) с использованием стандартного испарительного сосуда.
Определение величины поливных норм по показаниям тензиометров проводится с использованием графиков зависимости всасывающего давления прибора от влажности почвы. Такие графики в конкретных почвенных условиях позволяют оперативно определять поливные нормы.  
Расчет объема подаваемой воды проводят по формуле
М = 100НА (Qнв – Qпп)Кп, м3/га,
где  Н – глубина расчетного слоя почвы,  м;   А – скважность расчетного слоя почвы, %;
Qнв – верхний предел оптимальной влажности почвы, %;  Qпп – предполивная влажность почвы, %;  Кп – коэффициент, учитывающий ширину полосы увлажнения в саду.
Продолжительность полива определяется по формуле
T  = F М / 1000 q n,
где  q – расход одной капельницы, л/час;  n – количество капельниц на 1 га;  F – площадь поливного блока, га;   М – поливная норма, м3 /га;   Т – продолжительность полива, ч.
Одновременно с показаниями тензиометров фиксируется фактическое суточное испарение с водной поверхности по линейке эвапориметра (Еи, мм) за межполивной период. Мы получаем ряд наблюдений в течение вегетации и определяем коэффициент транспирации для конкретной схемы посадки деревьев, возраста и периода вегетации по формуле
Кт = 10 Еи / М,
где  М – поливная норма, м3 /га. 
В используемой для орошения воде с открытых водоемов, а также из других систем водоснабжения (подземные воды, шахтные и другие источники) присутствует большое количество неорганических взвесей и биологических объектов.
Песчаные, илистые, глинистые частицы обычно очищаются фильтрами, но сопутствующие им Fe2O3, Аl2О3, МgO, К2О, Р – химические вещества, вступающие в реакцию осаждающиеся на трубах и капельницах, забивают отверстия.
Водоросли и бактерии. Наиболее вредоносным свойством роста их в системах полива является образование в воде продуктов  жизнедеятельности желеобразных и клейких веществ. Эти вещества влияют на рост бактериальных слизей и вместе с механическими взвесями образуют агломераты, которые приводят к засорению системы. В зависимости от химического фактора в воде развиваются серные, железные и другие слизи. Может засорить системы капельного орошения растительный зоопланктон, имеющий размер 0,2-30 мм, особенно если вода недостаточно очищается перед поступлением в систему капельного орошения.
Магистральные линии должны промываться в процессе поливного сезона, в конце его или перед началом. Вода, остающаяся в этих магистралях, хорошая среда для развития микроорганизмов и выпадения осадка из твердых частиц. Промывка  труб предотвращает проникновение грязи в распределительные и капельные трубы.
Магистральные трубопроводы промывают, отключая от них все второстепенные линии и открывая все заглушки, в течение 30 мин, затем постепенно отключая по одной заглушке до их полного закрытия.
Второстепенные и капельные линии промывают не все сразу, а открыв заглушки на 5 -10 капельных линиях. Продолжительность промывки капельной линии  до 20 мин каждая, до появления чистой воды. Другие второстепенные линии промывают до 10 мин. Во время полива одновременно открывают заглушки на капельных линиях на 30 с. одновременно на 5-8 линиях.
При эксплуатации системы для удаления воздуха из труб необходимо порабо¬тать капельной системе не менее 20 мин. Это же нужно делать перед фертигацией, чтобы питательный раствор равномерно подавался под растения.
Необходимо проверить давление на фильтрах, на распределительных линиях, выборочно капельницах в разной части линии с использованием измерительного сосуда или обычных банок с последующим замером количества воды.
При определенных условиях, растворенные в воде химические соли в виде ка¬тионов и анионов могут оседать на внутренних стенках труб. В жесткой воде, с рН выше 7,5, кальций и магний в виде различных солей откладываются не только на внутренней поверхности труб, фильтров, капельных магистралей, но и на отверстиях капельниц, забивая их.
Полуторасернистые соединения железа (Fe2O3), марганца, гидроокиси металлов образуют нерастворимую в воде пленку на стенках труб. Некоторые виды удобрений могут вступать в реакцию с растворенными в воде веществами и образовывать новые отложения.
Летом в теплой воде выделяется углекислый газ, в результате чего образуется карбонат кальция – СаСО3. При снижении температуры, в сети карбонаты оседают на стенках труб. В весенне-летний период возможно высокое содержание в воде аллюмосиликатов, а в летний период — высокое содержание в воде фосфора и кальция.
Наиболее распространенное хлорирование и кислотная обработка воды для уничтожения биологических слизей и зоопланктона и для растворения химических отложений в системах капельного орошения.
Хлорирование основывается на впрыскивание компонентов активного хлора в воду для орошения. Активный, то есть свободный хлор:
подавляет развитие водорослей в воде;
вызывает разложение органического вещества;
предотвращает агломерацию и известкование взвешенных частиц;
окисляет железо, марганец и подобные вещества с образованием нерастворимых соединений, которые могут быть удалены из системы. Большинство растений не восприимчивы к воздействию хлора, если его применяют в небольших концентрациях:
постоянная подача хлора в систему орошения с концентрацией 1-10 мг/л;
периодическая подача хлора с более высокой нормой, обычно 10 мг/л один или несколько раз в течение поливочного цикла общей продолжительностью до 20 мин в день;
суперхлорирование – подача хлора с концентрацией 50 мг/л в течение 5 мин в день;
промывка систем капельного орошения периодически или в конце сезона для очистки от органических включений по специальной технологии.
В плодоводстве обычно применяют промывки системы капельного орошения, в зависимости от качества используемой воды или в конце сезона вегетации, или по мере необходимости дополнительно в течение вегетации 1-2 раза.
Для хлорирования используют различные источники хлора: хлорный газ из баллонов, гипохлорит натрия, гипохлорит кальция.
Гипохлорит натрия NaOCl выпускается в виде жидкости с концентрацией хлора до 15%, обычно 5-10%. Растворяясь в воде он образует
NаОСl Н2O = Nа ОН НОС1.
Гипохлорит кальция Са(ОС1)3 выпускают обычно в виде порошка, который содержит в своем составе 65-70% хлора. Растворяясь в воде, он образует
Са(ОС1)2 2Н2О = Са 2OН 2НОС1.
В результате образования гипохлорной кислоты – НОСl при рН ниже 6 единиц она хорошо сохраняется в растворе. При рН 7,5 и температуре раствора 20°С и более, гипохлорная кислота разлагается с преобладанием ионов ОС1-.  Эффективность НОСl  в 40-80 раз выше, чем ОСl-, поэтому необходимо подкислять воду для хлорирования таким образом, чтобы раствор имел рабочую реакцию с рН 5,9-6,0.
Перед хлорированием необходимо:
подготовить сосуд с подкисленной водой рН 5,9-6,0 с соответствующим уровнем хлора, например, 50 мг/л Сl и оставить его на сутки;
при отсутствии осадка в виде железа, можно использовать указанный раствор для хлорирования;
при значительном осадке, до 6,4 г/л, довести рН до 4,5 с тем же количеством хлора;
маточный раствор гипохлорита можно приготовить и вносить через кислотный бак, с расчетом производительности насоса кислотного бака и концентрации маточного раствора;
капельные трубы предварительно промыть водой;
вначале заполнить линию поливной водой, содержащей необходимое количество хлора и кислоты. При необходимости этим раствором следует хорошо промыть фильтры;
действие воды с хлором должно быть не менее 1 ч;
хорошо промыть систему, включая фильтры, чистой водой;
при необходимости операцию повторить.
Иногда, при передозировке хлора, стабильность химического осадка нарушается, и он может передвигаться к эмиттерам и забивать их. В этом случае, последовательно открывая заглушки линий, вымывают эти осадки. Продолжительность цикла  до 30 с. для каждой линии.
В процессе хлорирования следует учитывать:
чувствительность культуры к хлорированию в период вегетации (проявление хлорозов);
при вегетации, то есть до сбора урожая, количество хлора, не должно превы¬шать 30 мг/л раствора.
Кислотная обработка  предотвращает осаждение в воде различных веществ,  растворяет существующий осадок и отложение солей на капельницах,  повышает эффективность хлорирования при совместном применении. При кислотной обработке осадки в виде слизи углекислого кальция, фосфата кальция, окислов железа растворяются и могут быть выведены из систем капельного полива. С этой целью кислотная обработка системы капельного орошения проводится в течение 10-90 мин с доведением рН до показателя 2,0 и последующей промывки системы до прохождения чистой воды. Такая процедура может проводиться неоднократно, до появления желаемого эффекта.
Обычно для промывки систем используют технические кислоты: Н2SO4, НСl, НNО3, Н3РO4. Н2SO4 и НСl более сильные кислоты, менее сильная – Н3РO4.
Кратковременное применение кислот с понижением показателя рН раствора до 2,0 проводится в течение 10-30 мин, а при необходимости более длительной обработка систем полива  до 90 мин, проводится раствором кислот с показателем рН 4,0.
После кислотной обработки необходимо тщательно промыть систему обычной водой, контролируя выход воды из системы с показателем рН, соответствующим показателям используемой воды.
Последовательность работ при кислотной обработке:
подобрать тип применяемой кислоты (в зависимости от наличия, цены, характеристики почвы, оборудования);
определить количество кислоты, необходимой для доведения до рН 2,0 или рН 4,0 (2 варианта обработки);
в литре поливной воды оттитровать количество используемых кислот, что будет использовано для расчета количества кислоты, смешиваемой с водой;
проверить скорость истечения воды в нескольких эмиттерах, нормально чистых и забитых на близких участках трубопровода;
проверить давление на входе и выходе из системы;
для удаления осадка перед кислотной обработкой системы промыть концовки капельных трубок (магистралей);
заполнить систему водой (после фильтра) с добавлением необходимого количества кислоты;
проверить рН раствора на концах капельных линий, чтобы удостовериться о необходимой концентрации кислоты с помощью прибора-показателя рН;
система должна быть обработана в течение 30-60 мин, в зависимости от скорости очистки капельных линий и эмиттеров.