Методи та способи теплових меліорацій

Теплові меліорації в цілому базуються на трьох основних принципових методах:

1) зміна структури теплового балансу ґрунту посиленням чи послабленням притоку тепла до ґрунту або його витрат з ґрунту;

2) зміна теплофізичних властивостей ґрунту;

3) нагрівання чи охолоджування ґрунту й приземного шару повітря різноманітними тепловими джерелами та технічними засобами.

Виділяють наступні шляхи впливу на тепловий режим ґрунту:

1. Перерозподіл природної короткохвильової та довгохвильової радіації, що надходить до діяльної поверхні поля з атмосфери. Виконується шляхом затемнення поверхні ґрунту мульчуванням.

Мульчування – це нанесення на поверхню ґрунту темнозабарвлених та спеціальних матеріалів (вугільного пилу, тонкого шлаку, сухого гною, бітумних емульсій, чорного паперу або плівки, соломи, листя, піску та ін.).

Нанесення на поверхню ґрунту світлопрозорих плівок – укриттів, навпаки, приводить до перерозподілу складових теплового балансу та зменшенню витрат тепла на випаровування й теплообмін з атмосферою.

У практиці теплових меліорацій поширене використання поліетиленових, поліамідних, полівінілхлоридних, ацетатних плівок та тонкого пластику, найбільше використовують прозорі поліетиленові плівки товщиною 0,1…0,2 мм.

2. Збільшення, зменшення і перерозподіл вологи, яка надходить на поверхню ґрунту чи в ґрунт, що у свою чергу викликає зміну структури теплового балансу та перерозподіл теплової енергії (водні меліорації).

Для активної боротьби з заморозками використовують дрібнодисперсне дощування, наприклад для захисту садів і виноградників.

Тепловий режим ґрунту на осушуваних землях можна регулювати зміною рівня ґрунтових вод, на зрошуваних землях – проведенням поливів, зокрема теплими водами промислових підприємств чи геотермальними водами.

3. Зміна мікрорельєфу поверхні ґрунту і застосування спеціальної агротехніки. Найбільш поширені тепломеліоративні прийоми: нарізання гребенів, валів, глибока оранка, рихлення чи ущільнення ґрунту, посів рослин з високим стеблом та створення з них спеціальних захисних куліс, вирощування рослин у траншеях.

4. Зміна теплофізичних властивостей ґрунту шляхом зміни її структури – щільності, пористості, агрегатного складу та можливостей поглинати й проводити теплову енергію. Відомо, що піщані і супіщані ґрунти прогріваються швидше, ніж глинисті і суглинисті.

5. Зміна надходження тепла в ґрунт шляхом штучного обігріву чи охолодження ґрунту та приземного повітря. Досягається створенням спеціальних тепломеліоративних систем обігріву чи охолодження ґрунту і потребує наявності джерел додаткової теплової енергії. Прикладом є штучний обігрів футбольних полів з метою підтримання нормативних температурних вимог трав’яного газону, підігрів ґрунту в теплицях і парниках, створення систем поверхневого обігріву ґрунту тощо.

6. Зміна теплового режиму зміною і перетворенням вітрового режиму земель шляхом створення вітрових екранів, штучного збільшення провітрюваності території додатковим розміщенням лісосмуг, спеціальних огорож, споруд, використання примусової вентиляції.

7. Зміна теплового режиму зміною режиму вологості повітря та випаровування на певній території (мікроклімату) дощуванням, розпилюванням вологи, створенням водних акваторій, водосховищ, ставків, водоспадів, фонтанів, створенням штучної хмарності чи, навпаки, розсіюванням хмар.

8. Збільшення чи зменшення снігового покриву у холодний час року, що змінює інтенсивність і характер процесів промерзання і відтаювання ґрунту, стоку талих вод і перерозподілу вологи в ґрунті. Сніг – один із видів атмосферних опадів і може бути використаний для покращання теплового і водного режимів ґрунту.

Управління сніговим покривом навіть виділяють у окремий вид меліорацій – снігові меліорації. Сніг захищає ґрунт та зимуючі рослини від сильних морозів та поповнює запаси ґрунтової вологи. До основних способів снігових меліорацій відносяться снігозатримання, снігоущільнення, снігонакопичення та регулювання весняного сніготанення.

Усі перераховані способи впливу на тепловий режим ґрунту, які застосовують для управління тепловим режимом, поділяють на пасивні і активні.

Енергетичною основою пасивних способів слугує сонячне тепло, а технологічною – штучна зміна умов теплообміну на поверхні ґрунту та теплопередачі в самому ґрунті.

До пасивних способів управління тепловим режимом земель можна віднести такі:

1) створення теплоізоляційних покриттів на ґрунті з природних і штучних матеріалів (пінистих, волокнистих, сипучих: піна, листя, стружка, очерет);

2) нанесення на ґрунт фарбників – крейди, вугільного пилу, торфу, спеціальних емульсій та фарб;

3) укриття ґрунту непрозорими плівками, картоном, папером, що мають щільний контакт поверхнею ґрунту (мульчування);

4) укриття ґрунту прозорими та напівпрозорими плівками, пластиками, що не контактують з його поверхнею та створюють прозорі оболонки, наприклад у вигляді тунелів;

5) зміна теплофізичних властивостей ґрунтів внесенням у верхні шари піску, глини, щебеню, галечника, а також рихленням, прикатуванням, зволожуванням, осушуванням;

6) зміна мікрорельєфу поверхні ґрунту гребнюванням, грядкуванням, розрихлюванням, профілюванням;

7) посадка лісосмуг, куліс із високих рослин, кущів;

8) зміна густини посів рослин, ширини міжрядь, відстаней між рослинами у рядках;

9) затінення посадок і посівів щитами, рослинністю, деревами, кущами;

10) задимлення, використання дрібнодисперсних аерозолів;

11) зменшення або збільшення вологи в активному шарі ґрунту.

Активні тепловімеліорації потребують наявності додаткових джерел теплової енергії та спеціальних технічних засобів транспортування і передачі цієї енергії в середовище «ґрунт – рослина – приземний шар повітря».

У якості джерел теплової енергії може бути використана акумульована сонячна енергія, електроенергія, пара, гаряча вода та низькотемпературні джерела енергії у вигляді скидних теплих (теплообмінних) вод промисловості й енергетики (АЕС і ТЕС) з температурою 20-30⁰С та природні геотермальні води.

Переважна більшість активних способів управління засновані на застосуванні спеціальних технічних засобів обігрівання ґрунту – теплозабезпечуючих (тепломеліоративних) систем, у складі яких обов’язковим є штучне джерело теплової енергії.

Обігрівання – це спосіб теплової меліорації земель шляхом передачі ґрунту та приземному шару повітря додаткової теплової енергії з метою підвищення їх температури до оптимальної.

Всі технічні засоби обігрівання ґрунту поділяють на три основні групи: обігрівання за допомогою розосереджених джерел тепла, обігрівання за допомогою зосереджених джерел тепла та комбіноване обігрівання.

Ґрунтовий обігрів за допомогою зосереджених джерел тепла – найбільш поширений спосіб обігрівання. У залежності від виду теплоносія він реалізується за допомогою трубопроводів, бетонних чи керамічних пустотілих блоків, оболонок - рукавів із гнучких матеріалів чи пластику.

Металеві, азбестоцементні, пластмасові трубопроводи розташовують у активному шарі ґрунту для транспортування теплоносія у вигляді води чи пари всередині ґрунту, пустотілі блоки – для пропуску гарячого чи теплого повітря в середині ґрунту, пластмасові трубопроводи та оболонки – рукави використовують для транспортування гарячої чи теплої води по поверхні ґрунту між рослинами. Внутрішньоґрунтове нагрівання може здійснюватись також за допомогою ізольованих електричних дротів і кабелів.

Системи для теплової меліорації ґрунтів. Для теплової меліорації ґрунтів, розташованих в межах промислових чи енергетичних об’єктів, які мають теплі скидні води, в НУВГП обґрунтовано і розроблено піонерні конструкції тепломеліоративних систем (ТМС) з поверхневим обігрівом ґрунту гнучкими водонаповненими оболонками – рукавами. ЇЇ загальна схема наведена на рис. 4.11.

Конструктивними елементами ТМС є водонаповнені гнучкі оболонки – рукави для нагрівання ґрунту і повітря, магістральні, розподільчі, ділянкові та збираючі трубопроводи, водорозподільні вузли та водорегулююче обладнання, відвідні та інші трубопроводи. У складі ТМС можуть бути також відкриті канали та лотки, насосні станції, регулюючі басейни, гідротехнічні споруди, водомірне обладнання, засоби автоматики.

Обов’язковими елементами ТМС є також спеціальні світлопрозорі переносні сезонні укриття з автоматичними пристроями для провітрювання, а також система регулювання водного і поживного режимів ґрунту.

Головним елементом ТМС є обігрівачі ґрунту – гнучкі тонкостінні оболонки у вигляді трубопроводів чи широких рукавів. Обігрівачі розміщують на певній відстані один від одного, як правило між рядами рослин, і об’єднують для високої ефективності нагрівання ґрунту та повітря і підвищення надійності роботи системи обігріву в окремі грядки – секції, а секції у блок – модулі (рис. 4.12.).

Суть технології поверхневого обігріву полягає у постійній подачі теплої води через мережу транспортуючих і розподільчих трубопроводів, пристроїв і обладнання в обігріваючий блок-модуль. У блок – модулі низькотемпературний теплоносій (вода) розподіляється між секціями, а в секціях – між гнучкими оболонками, які розташовані на поверхні ґрунту, проходить по них самопливно чи під невеликими напорами (близько 5…15 см), нагріває ґрунт і приземний шар повітря, у якому розміщені рослини, частково охолоджується на 1…2⁰С і відводиться збирачами – трубопроводами у водоприймач.

Для одержання максимального ефекту гнучкі тонкостінні оболонки об’єднують по 4…5 штук секції у вигляді вузьких грядок, а грядки розміщують під світлопрозорими укриттями тунельного чи іншого типу. Ділянка ґрунту, яка нагрівається разом з укриттям, утворює грядку – секцію шириною 0,8…1,0 м та довжиною 20…25 м.

 

Рис. 4.11. Загальна схема тепломеліоративної системи поверхневого нагрівання грунту

 

1 – насосна станція; 2 – магістральний трубопровід; 3- розподільчі трубопроводи; 4 – збираючі ділянкові трубопроводи; 5 – відвідні трубопроводи; 6 – ділянкові трубопроводи; 7 – грядки-секції

 

 

 

Рис.4.12. Схема блок – модуля системи поверхневого нагрівання ґрунту

 

1 – розподільчий трубопровід теплої води; 2 – збираючий трубопровід використаної води; 3 – ділянковий трубопровід теплої води; 4 – ділянковий трубопровід використаної води; 5 – водорегулююча арматура; 6 – оболонки – рукави з щілинами для рослин

 

Одним із спеціальних способів теплової меліорації земель, які одночасно відносяться і до водних меліорацій, є зрошення теплими (термальними) водами або гідротермомеліорації.

Гідротермомеліорації можуть бути реалізовані в регіонах з термальними підземними водами або на землях біля підприємств, які мають теплі скидні води. Основна умова гідротермомеліорацій - придатність води для зрошення, що не завжди може бути виконано у зв’язку з використанням води в технологічних промислових циклах.

Методи і способи гідротермомеліорацій не відрізняється від звичайного зрошування. Застосовують також звичайну поливну техніку. З метою максимального використання теплового ресурсу теплих вод доцільно використовувати поверхневий полив чи внутрішньогрунтове зрошування з подачею води по мікропористих або перфорованих трубках, розташованих під орним шаром ґрунту.

Найдоцільніше поєднувати зрошування теплими водами (утеплювальне зрошування) з ґрунтовим обігрівом трубопровідними внутрішньоґрунтовими системами. Фахівцями розроблені конструкції комбінованих систем зрошування та обігрівання з використанням теплих природних вод чи вод промислового походження.

Максимальний ефект від зрошування теплими водами спостерігається у прохолодні весняні, літні та осінні періоди.