Технологии и средства механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв кабардино-балкарской республики

Выбор и комплектование состава машинно-тракторных агрегатов является одной из основополагающих задач, от решения которых зависят производительность и качество работ, издержки на их выполнение и конечные результаты производства сельхозпродукции. Поэтому при обосновании количественного и марочного состава МТП необходимо исходить из технико-экономической целесообразности. Распределение механизированных работ по различным вариантам машинно-тракторных агрегатов и марочный состав энергомашин агрегатов определены на основе минимальной стоимости выполнения механизированных работ по конкретным технологическим операциям при следующих условиях и ограничениях, обеспечивающих высокоэффективное использование МТА:

1. Выполнение запланированного по хозяйству годового объема механизированных работ –

2. Выбор наиболее экономичных марок машин с высокой годовой загрузкой – и .

3. Фактическая продолжительность механизированных работ должна находиться в пределах – .

4. Объемы работ по одноименным технологическим операциям Qi могут быть выполнены j-м типом машинно-тракторных агрегатов –

При этом машины занятые на выполнении i-й технологической операции могут требоваться в данный отрезок времени для выполнения других технологических операций по другим культурам.

При проведении сезонных работ наблюдаются пиковые периоды, когда задействовано наибольшее число агрегатов. Эти периоды и обусловливают максимальное число агрегатов определенного типа. Обоснованно расширяя продолжительность периода работ до экономически целесообразной, представляется возможным уменьшить потребность в однотипных агрегатах, а значит, сократить их общую балансовую стоимость, амортизационные отчисления и в целом себестоимость единицы механизированных работ и выращенной продукции. При этом могут быть получены альтернативные варианты агрегатов и машин, имеющие близкие значения себестоимости работ по конкретным технологическим операциям. Для полученных вариантов и типов МТА и периодов их пиковой нагрузки по определенному ранее экономически целесообразному сроку проведения работ корректируем число машинно-тракторных агрегатов.

Определяем суммарные затраты на выполнение годового объема механизированных работ для всех полученных альтернативных вариантов комплектования машинно-тракторных агрегатов и по их минимальному значению устанавливаем оптимальный вариант.

Анализ результатов оптимизации количественного и марочного состава МТА позволяет определить следующие мероприятия повышения эффективности его использования:

1. Обоснование состава МТА, обеспечивающего минимальные удельные издержки при выполнении механизированных работ хозяйств.
2. Максимальное повышение годовой выработки машин за счет:

увеличения сменной продолжительности работы (в 2–3 смены);

увеличения сезонной нагрузки на машинно-тракторные агрегаты в пределах экономически целесообразных сроков проведения работ;

увеличения сезонной выработки путем выращивания сельскохозяйственных культур с различными сроками посева и уборки, применения технологических приемов, ускоряющих или замедляющих созревание урожая.

3. При формировании машинно-тракторного парка хозяйств для выполнения механизированных работ в пределах экономически целесообразных сроков снижаются капиталовложения, эксплуатационные затраты и себестоимость работ.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты изучения влияния интенсивности дождя на сток и смыв почвы (рис. 3 и 4). Анализ полученных результатов показал, что при одинаковом слое осадков большему значению интенсивности дождя соответствуют и большие значения стока и смыва почвы.

Таким образом, результаты дождеваний, проведенные с различными интенсивностями осадков, описываются практически одной зависимостью от эрозионной характеристики дождя. Отсюда следует, что для моделирования естественных осадков не обязательно задавать точно такую же интенсивность дождя. В естественных условиях влажность почвы претерпевает существенные сезонные изменения, т.е. она является динамичным параметром, характеризующим состояние почвы.

Рис. 3. Динамика стока

Рис. 4. Динамика смыва почвы

Если сток и смыв почвы выразить через эрозионную характеристику дождя, то картина резко изменится (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Зависимость стока от эрозионной характеристики дождя

Рис. 6. Зависимость смыва почвы от эрозионной характеристики дождя

Известно, что при выпадении дождя сток и смыв почвы будут зависеть от ее исходной влажности. Чем выше исходная влажность почвы, тем меньшее количество осадков требуется для полного насыщения поверхностного слоя почвы. Следовательно, раньше начнется сток и его величина будет больше. Для получения количественной оценки влияния влажности почвы на сток и смыв были проведены специальные эксперименты.

На рис. 7 и 8 показаны зависимости коэффициента стока и смыва почвы от характеристики A для различной исходной влажности почвы. Анализ полученных результатов показал, что исходная влажность почвы оказывает существенное влияние на сток и смыв почвы, что необходимо учитывать как при проведении дождевания, так и при переносе полученных результатов на натурные условия.

Исследование влияния обработки почвы на сток и смыв показало, что при одинаковом исходном состоянии почвы коэффициент стока при различных режимах дождевания описывается одной и той же зависимостью от эрозионной характеристики дождя.

Рис. 7. Зависимость стока от эрозионной характеристики дождя

Рис. 8. Зависимость смыва почвы от эрозионной характеристики дождя

Для разных видов обработок почвы эти зависимости будут различны – это означает, что обработки по-разному влияют на формирование стока. При этом для ровной поверхности почвы влияние уклона на сток значительно меньше, чем на смыв почвы. Сравнение со вспашкой (контрольный вариант) для противоэрозионных обработок показывает,что сток заметно уменьшается (следовательно, увеличивается впитывание). Обработка почвы повлияла и на начало процесса стока. Увеличение впитывания при почвозащитных обработках объясняется двумя причинами. Первая: при таких обработках в почве остается какое-то количество растительных остатков, что повышает ее впитывающую способность. Вторая: в результате длительного применения почвозащитных обработок улучшаются водно-физические свойства поверхностного слоя почвы. При увеличении продолжительности дождевания значения интенсивности впитывания сближаются. Установившаяся скорость впитывания для всех обработок изменялась в интервале 0,3–0,4 мм/мин.

На рис. 9 представлена динамика интегрального смыва почвы для различных вариантов обработки, а на рис. 10 – динамика интегрального приведенного смыва почвы. Средневзвешенный диаметр выносимых со стоком почвенных агрегатов колеблется в основном в пределах 0,4–0,6 мм.

Полученные данные свидетельствуют о том, что шероховатость поверхности почвы была практически одинаковой для всех вариантов обработки. Однако после дождевания она уменьшилась примерно в два раза. Шероховатость после дождевания зависит от размера водопрочных агрегатов. И то, что она оказалась одинаковой, говорит о том, что варианты обработки почвы не повлияли на размер водопрочных агрегатов, что подтверждается и средним размером смываемых агрегатов, который практически одинаков. Размыв в гидролотке почвенных монолитов по методике ВНИИЗЗПЭ, взятых с участков при разных вариантах обработки почвы, показал, что их противоэрозионная стойкость в пределах точности измерения была одинаковой.

Рис. 9. Зависимость интегрального смыва почвы от эрозионной характеристики А

Рис. 10. Зависимость приведенного смыва почвы от эрозионной характеристики дождя

Таким образом, по сравнению со вспашкой для противоэрозионных вариантов обработки почвы уменьшение ее смыва примерно на 50 % обусловлено только увеличением впитывания воды в почву.

При проектировании противоэрозионных мероприятий рассчитываются среднемноголетние потери почвы. Чтобы оценить эти потери для почвозащитной обработки использована имитационная модель дождевой эрозии. По данным дождевания была проведена идентификация параметров модели, а затем смоделирован эрозионный процесс за многолетний период для условий КБР. В результате получено, что почвозащитная обработка по сравнению со вспашкой уменьшает среднемноголетний смыв почвы примерно на 25 %.

Рис. 11. Динамика стока

Рис. 12. Динамика интегрального смыва почвы

Динамика стока и динамика интегрального смыва почвы (рис. 11 и 12) показывает высокую эффективность мульчирования, которое существенно уменьшает сток (увеличивает впитывание). Наличие мульчи привело к снижению концентрации почвы в стоке и уменьшению среднего диаметра смываемых почвенных агрегатов (рис. 13 и 14). Мульчирование заметно изменило фракционный состав смытой почвы. Практически полностью отсутствуют фракции размером более 1 мм.

Рис. 13. Динамика концентрации почвы в стоке

Рис. 14. Средний диаметр смываемых почвенных агрегатов

Средний диаметр частиц на вариантах с мульчированием не превышал 0,4 мм. На контрольных вариантах размер смытого материала оказался значительно выше и достигал 1 мм. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод, что для условий КБР мульчирование способно надежно защитить почву от дождевой эрозии.

Критерием для выбора оптимальных параметров закрытого дренажа является время отвода почвенно-грунтовых вод пахотного и подпахотного горизонтов почвенного профиля на склоновых землях в критические периоды при поверхностном стоке. Поэтому возникает необходимость в разработке таких методов определения параметров дренажа, которые позволили бы за короткий срок, в условиях конкретного объекта, путем непосредственных измерений определить зависимость между временем отвода избыточной воды из почвы и основными параметрами дренажа (расстояниями между дренами и глубиной их закладки).

На основании анализа результатов экспериментальных исследований получена зависимость изменения междренного расстояния от коэффициента фильтрации и перепада напора с учетом интенсивности дождя (рис. 15).

Кроме того, прогнозирование динамики уровня верховодки в корнеобитаемом слое для условий КБР для проектировщиков представляет большой интерес. Особенно важным в малопроницаемых грунтах с продолжительными осадками является выбор оптимальных междренных расстояний, глубины закладки дрен для отвода отфильтрованных вод через дренажные каналы в специальный водоем. Эти параметры легли в основу проекта инженерных почвозащитных сооружений на склоновых землях, разработанного Севкавгипроземом и внедренного в хозяйствах КБР, а также при разработке конструкции противоэрозионного агрегата (рис. 16). Установлены рациональные значения основных параметров и режимов работы противоэрозионного агрегата: толщина ножа н = 6 см; диаметр дренера d = 8,7 см; длина троса, соединяющего дренер с ножом т = 25 см, глубина прокладки дренажного канала 50–55 см, скорость передвижения агрегата 8–12 км/ч.

Рис. 15. Изменение междренного расстояния при различном перепаде напора: 1 – 1 м; 2 – 1,25 м; 3 – 1,5 м

Рис. 16. Противоэрозионный агрегат в работе

В пятой главе «Формирование технологии и состава средств для противоэрозионной обработки склоновых почв» приведены результаты обоснования комплекса мер по защите почв от водной эрозии. Полученные результаты исследований позволили предложить технологическую схему энергосберегающей обработки почвы под озимые и яровые зерновые после разных предшественников (табл. 1).

Для определения количественного и марочного состава машинно-трак-торного парка хозяйства разрабатывается сводный план механизированных работ. Критерием оценки различных вариантов комплектования МТА в условиях сельскохозяйственных товаропроизводителей является полная себестоимость механизированных работ, основу которой составляют эксплуатационные затраты. Определив себестоимость работ в зависимости от наработки для различных вариантов энергомашин, получили марочный состав машинно-тракторного парка хозяйства (рис. 17). Эффективное использование энергонасыщенных тракторов классов 30 и 50 кН целесообразно при обеспечении их годовой загрузки не менее 1250–1500 усл. эт. га. Для неэнергонасыщенных тракторов класса 30 кН граница эффективной нагрузки снижается до 750–850 усл. эт. га, а для остальных тракторов – до 500–650 усл. эт. га.

Сравнительная оценка стоимости механизированных работ для различных марок тракторов в пределах их эффективной годовой загрузки показывает, что они меньше у неэнергонасыщенных тракторов классов 14, 20 и 30 кН, имеющих значительно меньшую стоимость и более высокую годовую загрузку (рис. 18). Непропорционально высокая стоимость энергонасыщенных тракторов по отношению к производительности снижает эффективность их использования.

Таблица 1 – Технологическая схема энергосберегающей обработки почвы

под озимые и яровые зерновые после разных предшественников

Культура	Предшественник	Обработка
		основная			предпосевная
		Прием	Глубина, см	Состав агрегата	Прием	Состав агрегата
Озимые	Однолетние травы	Лущение, дискование	6-8 10-12	ДТ-75 + ЛДГ-10 или БДТ-3 ДТ-75+БДТ-3 М50+БДТ-7	Культи- вация	ДТ-75 + КПЭ-3,8 + РВК-3,6; Т-150 + КПШ-9(5,11) + ЗККШ6 или КПШ-8 для легких почв, МТЗ-80+КПС-4; МТ8 +ЗККШ-6; Т-150 + РБР-4А
Озимые	Картофель ранний	–	–	–	Культи-вация в два следа	То же
Яровые	Озимые	Лущение, дискование или мелкая вспашка	6-8 10-12 14-16	ДТ-75 + ЛДГ-10 или БДТ-3 ДТ-75+БДТ-3 (5,7) ДТ-75+ПН-4-35	Культи- вация	То же
Яровые	Картофель и другие пропаш-ные	Дискование или плоскорезная обработка	10-12 10-12 20-25	ДТ-75+БДТ-3 (5,7) Т-150+КПШ-9 (5,11) ДТ-75+КПГ-2,2 (250)	Культи- вация	То же
Яровые	Однолетние травы	Лущение, дискование	6-8	ДТ-75+БДТ-3 Т-150+БДТ-7	Культи- вация	То же
			10-12	ДТ-75+БДТ-3 Т-150+БДТ-7	Культи- вация	То же