Вкратце:
- На бразильских плантациях сахарного тростника, где используется капельная лента с компенсацией давления, эффективность использования воды на 20-30% выше по сравнению с традиционным бороздковым орошением, главным образом потому, что расход воды из капельниц соответствует насыщенной гидравлической проводимости почвы, предотвращая как поверхностный сток на глинистых почвах, так и глубокую инфильтрацию на песчаных почвах.
- Ключевым параметром, который проверяют инженеры плантаций, является соотношение расхода воды из капельниц (литры в час) к площади увлажненной поверхности одной капельницы (квадратные метры), которое должно оставаться ниже скорости инфильтрации почвы (мм в час), чтобы избежать застойных луж и стока при междурядьях 1,0-1,5 метра, характерных для механизированного выращивания сахарного тростника.
- В Бразилии типы почв варьируются от оксисолей с высокой инфильтрацией (15-30 мм/ч) в штате Сан-Паулу до ультисолей с умеренной инфильтрацией (5-15 мм/ч) на северо-востоке — и даже при одинаковом расстоянии между рядами капельная лента будет показывать совершенно разные результаты на этих двух типах почв.
- Перед тем как заказать большое количество капельной ленты, протяженность которой исчисляется тысячами километров, инженеры плантаций проводят испытания на инфильтрацию с использованием двухкольцевых инфильтрометров как минимум в 10 точках на каждую зону управления, а затем определяют скорости потока и расстояния между капельницами, чтобы поддерживать норму внесения ниже 80% от измеренной насыщенной гидравлической проводимости.
Почему бразильский сахарный тростник переходит от бороздчатой к капельной поливке — и почему этот переход требует инженерной точности.
Бразилия производит примерно 40% мирового сахарного тростника — более 600 миллионов тонн в год на площади около 8,5 миллионов гектаров. На протяжении десятилетий доминирующим методом орошения было бороздковое орошение: вода подавалась в верхнюю часть борозд с уклоном и стекала вниз под действием силы тяжести. Это простой, недорогой и чрезвычайно расточительный метод. Полевые измерения на плантациях штата Сан-Паулу показывают эффективность бороздкового орошения от 45% до 65% — это означает, что 35-55% подаваемой воды никогда не достигает корневой зоны растений. Она испаряется с поверхности борозды, просачивается ниже уровня корней или стекает с края поля.
За последние пять лет экономическое давление с целью улучшения этого показателя резко усилилось. Затраты на водопользование в центрально-южном регионе Бразилии — сердце производства сахарного тростника — выросли на 40-60% в реальном выражении с 2020 года. Это обусловлено конкурирующим спросом со стороны расширяющегося производства орошаемых зерновых культур и участившимися засухами, связанными с изменением характера выпадения осадков в биомах Серрадо и Атлантического леса. В то же время, обязательства сахарной промышленности в области устойчивого развития — особенно система оценки углеродной интенсивности программы RenovaBio — поощряют повышение эффективности использования воды, поскольку снижение энергозатрат на перекачку напрямую приводит к снижению показателей углеродной интенсивности и увеличению стоимости углеродных кредитов (CBIO) на тонну переработанного тростника.
Я обсуждал этот переход с инженерами-плантологами в Рибейран-Прету и Сертаозиньо, и их общее наблюдение заключается в том, что переход от бороздчатого земледелия к... капельное орошение Это не просто вопрос прокладки измерительной ленты в поле. Вся логика гидравлического проектирования меняется. При бороздковом орошении вы проектируете систему с учетом достаточного расхода воды и приемлемого стока. При капельном орошении — и особенно при капельном орошении с компенсацией давления на слегка волнистом рельефе, характерном для бразильских плантаций сахарного тростника, — вы проектируете систему с учетом взаимодействия почвы и воды в масштабе отдельных капельниц. Это требует данных, которые большинство плантаций ранее не собирали: насыщенной гидравлической проводимости (Ksat), измеренной по всей пространственной изменчивости типов почв плантации.
Как скорость инфильтрации почвы определяет характеристики каждой капельной ленты
Взаимосвязь между техническими характеристиками капельной ленты и скоростью инфильтрации почвы определяется одним единственным, непреклонным физическим ограничением: Норма расхода воды из капельной системы не должна превышать способность почвы впитывать воду на поверхности. В этом случае вода скапливается на поверхности, стекает вниз вдоль ряда и создает именно тот неравномерный характер увлажнения, который призвано устранить капельное орошение.
Расчет нормы расхода воды довольно прост. Для капельной ленты с эмиттерами, расположенными на расстоянии E метров друг от друга, обеспечивающей расход Q литров в час на один эмиттер, и установленной по одной линии ленты в ряду с расстоянием между рядами R метров, норма расхода в миллиметрах в час составляет: AR = Q / (E x R). Типичная конфигурация для сахарного тростника — эмиттеры 1,6 л/ч с расстоянием 0,4 метра, одна линия на 1,4 метра в ряду — обеспечивает норму расхода 1,6 / (0,4 x 1,4) = 2,86 мм/ч. Это необходимо сравнить с насыщенной гидравлической проводимостью почвы, обычно измеряемой в мм/ч с помощью двухкольцевого инфильтрометра. ISO 22282-5 Протоколы геотехнических исследований, адаптированные для сельскохозяйственных грунтов.
Проблема несоответствия, вызывающая проблемы, удивительно часто встречается на бразильских плантациях: инженеры выбирают капельную ленту, основываясь на скорости потока капельниц, указанных в каталоге, не измеряя при этом скорость инфильтрации почвы. На оксисоле Сан-Паулу с Ksat 25 мм/ч скорость внесения 2,86 мм/ч находится в пределах безопасных значений — почва впитывает воду быстрее, чем лента её подаёт. Но на ультрасоле Северо-востока с Ksat 6 мм/ч та же лента обеспечивает скорость внесения, составляющую 48% от инфильтрационной способности — теоретически это нормально, но опасно близко к пределу, если учесть пространственную изменчивость скорости инфильтрации в пределах одной зоны управления. Коэффициент вариации (CV) Ksat в пределах одной почвенной единицы на бразильских плантациях сахарного тростника обычно колеблется от 0,25 до 0,45 — это означает, что некоторые участки в пределах «одного и того же» типа почвы инфильтрируют вдвое медленнее, чем другие.
Расстояние между рядами сахарного тростника и его взаимодействие с конструкцией капельной ленты.
Расстояние между рядами сахарного тростника в Бразилии не является фиксированным значением — оно варьируется в зависимости от региона, метода уборки и сорта. Традиционная конфигурация ручной уборки предполагала расстояние между рядами 1,0–1,2 метра, но переход отрасли на механизированную уборку за последние 15 лет увеличил расстояние между рядами до 1,4–1,5 метра, чтобы обеспечить возможность работы комбайнов, тракторов и транспортных прицепов без чрезмерного повреждения урожая. Такое большее расстояние принципиально меняет расчеты для капельного орошения.
Более широкое расстояние между рядами означает, что каждая линия капельной ленты должна обслуживать больший объем почвы, а это значит, что норма внесения на единицу площади снижается при данной конфигурации капельниц. Капельница производительностью 1,6 л/ч при расстоянии между растениями 0,4 метра и междурядье 1,0 метр обеспечивает расход воды 4,0 мм/ч — потенциально слишком высокий показатель для почв со средней инфильтрацией. Та же конфигурация при междурядье 1,5 метра обеспечивает расход воды 2,67 мм/ч — снижение на 33%, что может быть недостаточно для удовлетворения пиковой потребности растений в воде в период интенсивного роста (с декабря по март в центрально-южных регионах), когда суточное испарение может превышать 6-7 мм/день.
Инженерное решение, которое все чаще применяют бразильские управляющие плантациями, заключается в использовании двух линий капельного орошения на ряд для более широких расстояний между растениями — по одной линии с каждой стороны ряда, смещенной на 0,2-0,3 метра от центра ряда. Это удваивает норму внесения без изменения характеристик расхода капельниц. В примере с расстоянием между рядами 1,5 метра: две линии капельниц производительностью 1,6 л/ч с расстоянием 0,4 метра обеспечивают эффективную норму внесения 5,33 мм/ч — достаточную для удовлетворения пиковой потребности в эвапотранспирации в большинстве дней — при этом сохраняя расход на одну капельницу достаточно низким, чтобы избежать образования луж на почвах со средней инфильтрацией. Дополнительные материальные затраты на две линии (примерно на 90-100% больше ленты на гектар) частично компенсируются возможностью использования капельниц с меньшим расходом и меньшей стоимостью, но чистое увеличение затрат на 60-80% необходимо сопоставить с повышением урожайности за счет устранения водного стресса в критический период роста.
Выбор расхода излучателя: баланс трех переменных
Спецификация расхода воды в капельнице находится на пересечении трех переменных: скорости инфильтрации почвы, расстояния между рядами и пиковой потребности культуры в воде. Для правильного расчета необходимо одновременно учесть все три параметра — и бразильские инженеры-плантологи разработали эмпирические правила, которые стоит понимать, даже если вы в конечном итоге будете выполнять полные расчеты.
Правило 1: Норма внесения должна быть ниже 80% от измеренной в полевых условиях насыщенной гидравлической проводимости. Этот 20% запас прочности учитывает пространственную изменчивость, неопределенность измерений в инфильтрометре и снижение скорости инфильтрации, которое происходит по мере образования корки на поверхности почвы при многократных циклах увлажнения-высыхания в течение сезона. На оксисоле со скоростью инфильтрации 25 мм/ч (Ksat) это ограничивает скорость внесения до 20 мм/ч — достаточно большой потолок. На ультисоле со скоростью инфильтрации 8 мм/ч потолок составляет 6,4 мм/ч, и характеристики капельной ленты необходимо тщательно выбирать, чтобы не превышать этот показатель.
Правило 2: Выберите расход воды из капельницы таким образом, чтобы ежедневное время полива составляло от 8 до 16 часов в периоды пиковой нагрузки.Время работы менее 8 часов говорит о том, что система имеет избыточную мощность — вы платите за емкость ленты, которую не используете. Время работы более 16 часов не оставляет запаса для обслуживания системы. фильтр Очистка или неожиданные засушливые периоды, когда может потребоваться 20-22 часа полива, чтобы наверстать упущенное. Для плантации с пиковым испарением 7 мм/день, эффективностью орошения 90% и междурядьем 1,5 метра с однорядной лентой, необходимая норма полива составляет приблизительно 7 / 0,9 = 7,8 мм/день. При 2,67 мм/ч (1,6 л/ч, междурядье 0,4 м, однорядная лента) требуется 2,9 часа полива — что вполне укладывается в 8-16-часовой промежуток. При 1,33 мм/ч (1,0 л/ч, междурядье 0,5 м, однорядная лента) требуется 5,9 часов — тоже неплохо. Проблема возникает на песчаных почвах, где более высокие скорости инфильтрации позволяют увеличить нормы полива, но пиковое испарение остается тем же: система физически способна подавать воду быстрее, чем культура может ее использовать, и в итоге получаются короткие, неэффективные циклы полива, если специально не использовать капельницы меньшего размера.
Правило 3: Убедитесь, что объем увлажненной почвы от каждого капельницы перекрывается с объемом соседних капельниц как вдоль, так и поперек ряда. Корни сахарного тростника извлекают воду из объема почвы, простирающегося примерно на 0,5-0,8 метра вбок от центра ряда при полном росте листвы и на глубину 0,8-1,2 метра в глубоких оксисолях. Если расстояние между капельницами вдоль ленты слишком велико, отдельные зоны увлажнения не сливаются в непрерывную увлажненную полосу, и корни в сухих промежутках между капельницами испытывают периодический водный стресс. Практическая проверка проста: через 24 часа после полного цикла полива выкопайте яму перпендикулярно линии ленты и визуально убедитесь, что фронты увлажнения от соседних капельниц слились на глубине 0,3-0,4 метра. Если этого не произошло, уменьшите расстояние между капельницами или увеличьте время полива.
Компенсация давления на слегка волнистой местности
Бразильские плантации сахарного тростника часто описывают как «плоские», но это заблуждение. Рельеф центрально-южного региона имеет слегка волнистый характер — перепады высот в 5-15 метров на одном участке капельного орошения или оросительной системы являются обычным явлением — и даже эти небольшие уклоны создают достаточное изменение гидростатического давления, чтобы повлиять на равномерность капельной ленты, не относящейся к PC.
На участке площадью 10 гектаров с перепадом высот 8 метров гидростатическое давление в самой нижней точке примерно на 80 кПа выше, чем в самой верхней точке. Для капельной ленты, не относящейся к поликарбонату и рассчитанной на номинальное рабочее давление 100 кПа, это означает, что капельницы в верхней части блока получают давление 60 кПа (ниже номинального давления, возможно, ниже давления открытия капельницы), в то время как капельницы в нижней части получают давление 140 кПа (на 40% выше номинального, что приводит к расходу воды на 15-25% выше указанного значения). Возникающая неравномерность усугубляет проблему изменчивости почвы — участки поля, которые и без того различаются из-за типа почвы, теперь также получают разное количество воды из-за высоты над уровнем моря.
Капельная лента с компенсацией давления, рассчитанная на диапазон компенсации 50-350 кПа, устраняет эту проблему — при условии, что система регулирования давления обеспечивает входное давление в этом диапазоне в каждой точке подключения к магистральному трубопроводу. Бразильские инженеры, с которыми я общался, подчеркивают, что регулирование давления в начале каждого магистрального трубопровода так же важно, как и сами характеристики ленты. Капельный капельник с компенсацией давления может компенсировать давление только в пределах своего номинального диапазона; если давление в магистральном трубопроводе падает ниже 50 кПа из-за недостаточной мощности насоса или частичного засорения фильтрующей станции, даже самая лучшая лента с компенсацией давления будет работать с недостаточной эффективностью.
Качество воды и срок службы излучателей в условиях Бразилии
Качество воды, используемой для орошения сахарного тростника в Бразилии, варьируется в широких пределах — от чистой воды из водохранилищ в центрально-южных регионах до грунтовых вод с высоким содержанием железа в некоторых районах северо-востока — и качество воды напрямую определяет, как долго будет работать капельная лента из поликарбоната, прежде чем засорение капельниц ухудшит ее производительность.
Две наиболее распространенные проблемы качества воды в системах капельного орошения сахарного тростника в Бразилии — это осаждение железа и биологическое загрязнение. Растворенное железо (Fe2+) в грунтовых водах окисляется до нерастворимого трехвалентного железа (Fe3+) при контакте с воздухом — это происходит сразу после выхода воды из капельницы в почвенную атмосферу. Образующийся осадок оксида железа накапливается в канале потока капельницы и на мембране капельницы, постепенно уменьшая поток и в конечном итоге выводя из строя механизм компенсации. Пороговое значение, вызывающее опасения, — это содержание растворенного железа выше 0,3 мг/л; при концентрации выше 1,0 мг/л контроль содержания железа с помощью окислительно-фильтрационной предварительной обработки становится практически обязательным для капельных систем с ожидаемым сроком службы более 2-3 сезонов.
Биологическое обрастание — рост бактериальной слизи, водорослей и железобактерий внутри капельной ленты — ускоряется из-за высоких температур воды в Бразилии. Температура воды для орошения, хранящейся в открытых водохранилищах в центрально-южных регионах, в летние месяцы обычно достигает 28-32 °C, что является почти оптимальной температурой для роста микроорганизмов. Стандартной мерой противодействия является периодическое хлорирование — введение гипохлорита натрия для достижения остаточной концентрации свободного хлора 1-2 ppm в самом дальнем капельнике в течение 30-60 минут, обычно один раз в 2-4 недели в течение орошаемого сезона. Материал диафрагмы капельницы должен быть хлоростойким силиконом; стандартные силиконовые диафрагмы могут потерять эластичность после 200-300 часов суммарного воздействия хлора, что фактически прекращает функцию компенсации давления.
Индивидуальная настройка оборудования от производителя: что следует указывать покупателям, работающим в масштабах плантаций?
Когда бразильское предприятие по выращиванию сахарного тростника заказывает капельную ленту контейнерами — для плантации площадью 5000 гектаров требуется примерно 3500-5000 километров ленты — процесс закупки принципиально отличается от заказа для виноградника площадью 50 гектаров. Масштаб оправдывает разработку индивидуального проекта, а стоимость неправильной спецификации измеряется миллионами реалов.
Укажите расход жидкости в эмиттере при двух значениях давления, а не только при номинальном значении. Запросите у производителя кривую зависимости расхода от давления для конкретной модели эмиттера при входном давлении 50, 100, 200 и 350 кПа. Расход при 50 кПа и 350 кПа должен находиться в пределах 7-10% от номинального расхода при 100 кПа для правильно спроектированного эмиттера с защитным покрытием. Если отклонение превышает 10%, механизм компенсации недостаточно эффективен для неровного рельефа, характерного для бразильских плантаций сахарного тростника.
Размер фильтрующей сетки на входе эмиттера следует выбирать, исходя из результатов анализа качества воды, а не из стандартных предложений производителя. Стандартная фильтрация с размером ячейки 120 меш (125 микрон) достаточна для чистой поверхностной воды; для грунтовых вод с мелкими отложениями или железистым налетом дополнительная защита обеспечивается сетками с размером ячейки 180 меш (80 микрон) или даже 200 меш (74 микрона), но при этом требуется более чистая фильтрация на входе. Компромисс реален: более тонкие сетки на входе легче засоряются, если фильтрация на входе недостаточна, но они защищают механизм фильтрации от повреждений, если фильтрация проводится должным образом.
Для предприятий по выращиванию сахарного тростника, готовых использовать капельную ленту в предстоящий посевной сезон, наша команда может предоставить данные испытаний по стандарту ISO 9261, технические характеристики материалов и кривые зависимости расхода от давления для вашей конкретной конфигурации почвы и междурядий. Ознакомьтесь с нашими предложениями. регулятор давления и решения для капельного орошения начать процесс составления спецификации.
Часто задаваемые вопросы
Как бразильские инженеры-плантологи измеряют скорость инфильтрации почвы при проектировании капельной ленты?
Стандартный метод — это двухкольцевой инфильтрометр, который измеряет скорость проникновения воды в поверхность почвы при постоянном напоре. Внутреннее кольцо диаметром 30 см и внешнее кольцо диаметром 60 см вбиваются в почву на глубину 10-15 см, уровень воды в обоих кольцах поддерживается постоянным, и регистрируется объем воды, добавляемой во внутреннее кольцо с течением времени. Измерения проводятся через 1, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 90 и 120 минут. Стационарная скорость инфильтрации — обычно достигаемая через 60-120 минут для большинства сельскохозяйственных почв Бразилии — принимается за насыщенную гидравлическую проводимость (Ksat) для целей проектирования капельного орошения. Для участка сахарного тростника площадью 100 гектаров я рекомендую как минимум 10 точек измерения, распределенных по видимой изменчивости почвы внутри участка.
Можно ли использовать одни и те же характеристики капельной ленты на всей плантации, или они должны различаться в зависимости от типа почвы?
На бразильских плантациях сахарного тростника площадью более 200 гектаров изменчивость почв в пределах одного участка почти всегда требует использования как минимум двух различных вариантов капельной лейки. Чаще всего разделяют лейку на две категории: оксисоли с высокой инфильтрацией (требующие более мощных капельниц или более плотного расположения для достижения достаточной глубины увлажнения без чрезмерного времени работы) и ультисоли или альфисоли со средней инфильтрацией (требующие более слабых капельниц или более широкого расположения для предотвращения образования луж на поверхности). Затраты на управление двумя вариантами лейки — отдельный склад, отдельные бригады по установке, различные протоколы обслуживания — необходимо сопоставить с убытками от использования одного компромиссного варианта. В большинстве крупных плантаций выгода от использования лейки, адаптированной к конкретным типам почв, окупается за счет дополнительных сложностей в управлении в течение 1-2 сезонов.
Что произойдет, если скорость потока в эмиттере превысит скорость инфильтрации в почву?
Когда норма внесения удобрений превышает скорость инфильтрации почвы, на поверхности почвы образуются лужи. На ровной местности это создает неглубокий поверхностный водоем, который в конечном итоге просачивается внутрь, но длительный период застоя может привести к истощению кислорода в корневой зоне сахарного тростника, который особенно чувствителен к переувлажнению в течение первых 60 дней после посадки. На склонах — даже на склонах с уклоном 1-3%, распространенных в Бразилии при выращивании сахарного тростника, — образование поверхностных луж инициирует сток, унося воду (и растворенные питательные вещества из фертигации) вниз по склону. Визуальным индикатором является образование влажного пятна у подножия склона, в то время как верхняя часть ряда остается сухой. Решением является либо использование капельниц с меньшим расходом воды, либо увеличение расстояния между капельницами, либо — если ни один из этих вариантов невозможен — разделение цикла полива на более короткие и частые этапы. импульсs, которые позволяют поверхности почвы дренироваться между внесениями удобрений.
Как система фертигации влияет на скорость потока воды в капельницах в системах выращивания сахарного тростника с течением времени?
Сахарный тростник потребляет много азота и калия, и на бразильских плантациях эти питательные вещества все чаще вносятся через капельную систему (фертигация), а не в виде сухих гранулированных удобрений. Опасность заключается в том, что растворенные соли удобрений могут выпадать в осадок внутри канала капельницы по мере испарения воды между циклами полива, постепенно снижая скорость потока. Мочевина и хлорид калия — наиболее распространенные питательные вещества для фертигации сахарного тростника — обладают высокой растворимостью и, как правило, не выпадают в осадок при нормальных условиях эксплуатации. Однако нитрат кальция и сульфат аммония могут образовывать осадок, особенно при смешивании с жесткой поливной водой. Практические меры предосторожности: (1) промывать капельные линии чистой водой в течение 10-15 минут после каждого внесения удобрений, (2) поддерживать давление в системе во время промывки, чтобы обеспечить подачу воды во все капельницы, и (3) измерять скорость потока в капельницах в репрезентативных точках отбора проб в начале и конце каждого сезона, чтобы выявить любое постепенное снижение, которое может указывать на выпадение осадков.
Каков типичный срок службы капельной ленты из поликарбоната при обработке сахарного тростника?
Для надземной установки на плантациях сахарного тростника — наиболее распространенной конфигурации в Бразилии, где лента укладывается на поверхность почвы после посадки и извлекается перед сбором урожая — следует ожидать 3-5 циклов повторного отрастания (3-5 лет) при толщине стенки ленты 0,3-0,4 мм и достаточной УФ-стабилизации. Основными причинами разрушения на плантациях сахарного тростника являются механические повреждения от крыс (которые перегрызают ленту, чтобы получить доступ к воде), УФ-охрупчивание под воздействием тропического солнечного света (годовое воздействие УФ-А в центрально-южных регионах составляет приблизительно 350-400 МДж/м²) и засорение капельниц железом или биологическими загрязнениями. Подземное капельное орошение (ПКО) — лента, закопанная на глубину 250-350 мм — может продлить срок службы до 8-12 сезонов, поскольку исключается воздействие УФ-излучения и механические повреждения, но стоимость установки ПКО на плантациях сахарного тростника в 2-3 раза выше, чем при поверхностной установке, а извлечение закопанной ленты по истечении срока ее службы представляет собой серьезную операционную проблему.
Как бразильские инженеры проверяют работоспособность капельной ленты перед приемкой крупной партии?
Стандартный протокол приемки включает три испытания. Во-первых, визуальный и размерный осмотр случайной выборки (обычно 0,1% от общей длины партии): измерение толщины стенки микрометром в 10 точках на метр, проверка расстояния между эмиттерами и визуальный осмотр на наличие производственных дефектов, таких как неполные сварные швы эмиттеров или перфорация стенки ленты. Во-вторых, гидравлическое испытание 100-метровой катушки: создание давления до номинального рабочего давления (100 кПа), измерение расхода как минимум из 20 эмиттеров, распределенных вдоль длины катушки, и расчет коэффициента вариации (Cv). Допустимым считается значение Cv ниже 0,05 (5%); значение выше 0,07 приводит к отклонению или пересмотру условий поставки. В-третьих, проверка компенсации давления: повторное измерение расхода при 50 кПа и 350 кПа и проверка того, что средний расход в обоих крайних значениях находится в пределах 10% от номинального расхода при 100 кПа.