Технологии и средства механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв Кабардино-Балкарской Республики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Технологии и средства механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв Кабардино-Балкарской Республики

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

доктора технических наук

Пазова Таймира Хасановна

Москва 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО КБ ГСХА)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Кушнарев Леонид Иванович

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент РАСХН Горбачев Иван Васильевич

доктор технических наук, профессор Захарченко Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор Лобачевский Яков Петрович

Ведущая организация - Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП)

Защита состоится «01» июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ) по адресу: 127550, Москва, Лиственничная аллея, дом 16 А, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «__»____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор А.Г. Левшин

склоновый почва дождевой метеорологический

Общая характеристика работы

Актуальность. Снижение урожайности основных сельскохозяйственных культур на склоновых землях в результате ухудшения плодородия почв, связанного с их эрозией, потерей влаги и уменьшением водопроницаемости проявляется в большей мере на склоновых почвах. Производство сельскохозяйственной продукции на склоновых землях горных территорий Российской Федерации в настоящее время базируется на широком использовании устаревших технологий и технических средств. Комплекс машин для горного земледелия практически ограничен теми же средствами, которые применяются на равнине, что является сдерживающим фактором в интенсификации сельскохозяйственного производства на склоновых землях.

Исходя из условий рельефа местности, требований охраны почв и предупреждения их деградации, необходимости поддержания высокой продуктивности склоновых земель, задача разработки и применения почвозащитных и ресурсосберегающих технологий и технических средств механизации почвообработки, способных эффективно работать в условиях горного и предгорного рельефа становится весьма актуальной. Ресурсосбережение неразрывно связано с применением технологий минимальной обработки почв, разработкой и использованием комбинированных машин и орудий, обеспечивающих выполнение нескольких технологических операций, защищающих и повышающих плодородие, а также формированием рациональных машинно-тракторных агрегатов и парков машин.

По поручению Правительства Российской Федерации РАН и другими научными центрами была разработана долгосрочная государственная программа рационального использования земельных ресурсов до 2010 года. В ее реализации в Кабардино-Балкарской Республике участвуют все региональные научные центры, отраслевые научные комплексы и вузы. Настоящая работа выполнена как одна из составных частей программы, направленной на повышение плодородия почв Центральной зоны Северного Кавказа, Кабардино-Балкарской Республики.

Предметом исследования являются процессы возникновения и развития водной эрозии на горных склонах, технологии и технические средства, применяемые для производства сельхозпродукции на склоновых почвах, полностью исключающие или существенно снижающие возможность эрозионного разрушения плодородного слоя.

Объекты исследований - природно-производственные условия ведения горного земледелия в КБР, физико-механические свойства почв, технологии противоэрозионной обработки склоновых почв, технологические параметры противоэрозионного агрегата, составы машинно-тракторных агрегатов.

Методы исследований. По типовым методикам сельскохозяйственной оценки агроусловий, адаптированным к условиям КБР, выполнен комплекс исследований по изучению влияния различных природных и антропогенных факторов на развитие водной эрозии, изысканию эффективных способов противоэрозионной обработки и приемов ухода за почвой на склоновых землях с применением методов физического и математического моделирования эрозионных процессов. Рекомендуемые технологические мероприятия и технические средства, оценка их экономической эффективности осуществлялись с помощью методов экономико-математического моделирования.

Физико-механические свойства почвы определяли с использованием методик, разработанных в ВИМе, ВИСХОМе, ВНИИЗЗПЭ.

Обработка экспериментальных данных и расчетно-аналитическая работа проведена с использованием стандартных методик статистической оценки и обработки результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

на принципах системного подхода установлены особенности механизма развития эрозионных процессов на склоновых почвах КБР;

разработаны математические модели для исследования воздействия дождевых капель на почву и водной эрозии с учетом основных метеорологических факторов, характеристики почв, рельефа местности; процессов взаимодействия предлагаемых рабочих органов средств механизации с объектом обработки;

разработан комплекс противоэрозионных технологических мероприятий и технических средств, обоснован рациональный состав МТА и парка машин для агропредприятий Кабардино-Балкарской Республики.

Практическая значимость. Результаты исследования реализованы в виде:

системы почвозащитных технологических мероприятий, способствующих снижению эрозионных процессов на склоновых землях и повышению урожайности сельскохозяйственных культур;

оптимальных параметров дренажных систем и противоэрозионного агрегата;

комплекса противоэрозионных технологических мероприятий и состава технических средств для агропредприятий Кабардино-Балкарской Республики.

Разработанные методики позволили применительно к условиям КБР определить основные условия и факторы, влияющие на развитие водной эрозии на склоновых почвах, систему эффективных технологических способов и приемов противоэрозионной обработки склоновых почв, а также обосновать параметры и состав технических средств для производственно-экономических условий сельскохозяйственных товаропроизводителей КБР.

Результаты исследования использованы:

при разработке мероприятий по повышению плодородия почв Кабардино-Балкарской Республики;

при обосновании параметров для модернизации противоэрозионного агрегата и дренажных систем с учетом интенсивности отвода сточных вод через дренажные каналы в специальный водоем;

при подготовке к изданию монографии «Обоснование технологии и средств механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв Кабардино-Балкарской Республики».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены, доложены и одобрены на Международных научно-практических конференциях ФГОУ ВПО МГАУ (Москва, 2000-2006), юбилейной научно-практической конференции, посвященной 20-летию КБГСХА (Нальчик, 2001), научных конференциях молодых ученых КБНЦ РАН (Нальчик, 2001-2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе книги, брошюры, методические и нормативные материалы, статьи общим объемом 25 печатных листов. 8 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертации.

На защиту выносятся нижеследующие основные положения:

классификация факторов, определяющих возникновение процессов эрозии склоновых земель;

методика обоснования оптимальных параметров дренажных систем для подпочвенного отвода сточных вод;

методика обоснования параметров и режимов работы агрегата для противоэрозионной обработки склоновых почв;

результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса возникновения и развития эрозионных процессов на склоновых землях;

методика и результаты обоснования конструкции рабочих органов отдельных машин и рациональных составов машинно-тракторных агрегатов для производства механизированных работ на склоновых почвах;

методика и оценка агротехнического и экономического эффекта от использования результатов исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы. Работа изложена на 229 страницах машинописного текста, в т.ч. - 50 рисунков, 30 таблицы, список литературы 213 наименований, в т.ч. 9 - на иностранном языке.

Основное содержание работы

1. Состояние проблемы, задачи и программа исследования

В первой главе исследования «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» изложены результаты анализа ранее выполненных исследований А.А. Ажигирова, Д.Л. Арманд, Н.М. Беляева, В.Н. Гуссака, М.Н. Заславского, И.Г. Зыкова, М.Х. Каскулова, А.Н. Каштанова, Ю.И. Майорова, Ц.Е. Мирцхулавы др., который показал, что факторы, влияющие на возникновение и интенсивность эрозионных процессов на склоновых землях, можно разделить на две группы: природные и антропогенные. Современная эрозия, как правило, проявляется при сочетании обеих групп факторов. Природные факторы создают условия для проявления эрозии, а нерациональная производственная деятельность человека является основной причиной, вызывающей водную эрозию. В КБР интенсивному развитию эрозионных процессов способствовала высокая степень распашки земель при чрезвычайно изрезанном рельефе и бессистемный выпас скота на крутых склонах. Большая роль в становлении и развитии учения об эрозии и разработке важнейших агротехнических приемов щелевания и дренирования принадлежит М.Н. Анненкову, М.И. Афонину, А.Т. Болотову, А.А. Вербину, В.В. Докучаеву, М.С. Зиненбергу, А.А. Измаильскому, И.М. Касаткину, А.С. Козменко, В.Я. Ломиковскому, С.И. Сильвестрову, А.В. Собесскому, С.С. Соболеву, И.А. Скачкову, В.Ф. Трушину, А.А. Шалабанову, Н.Н. Шишке, П.В. Янковскому и др.

Одним из определяющих направлений противоэрозионных исследований в ближайшей перспективе должна стать разработка комплекса технологических мероприятий и технологий, обеспечивающих сохранность и восстановление плодородия эродированных почв, и в первую очередь, подверженных смыву, а также обоснование, разработка и внедрение в конкретных производственно-экономических условиях КБР высокоэффективных почво- и ресурсосберегающих технических средств и агрегатов. Основополагающий вклад в науку о машиноиспользовании при решении задач методического, технологического и организационного характера внесен отечественными учеными Б.С. Свирщевским, Г.В. Веденяпиным, С.А. Иофиновым, Ю.К. Киртбая, В.М. Кряжковым, М.С. Рунчевым, Ю.А. Конкиным, М.Я. Рассказовым, В.М. Михлиным, А.Н. Скороходовым, О.Н. Дидманидзе, А.Г. Левшиным, Л.И. Кушнаревым и др. Анализ научных исследований по проблеме, обобщение отечественного и зарубежного опыта позволили определить основные направления совершенствования существующей системы противоэрозионной обработки почв, в основу которых предложены почво- и ресурсосберегающие технологии и технические средства.

Целью исследования является сохранение и повышение плодородия склоновых почв КБР на основе применения современных почво- и ресурсосберегающих технологий и технических средств, замедляющих эрозионные процессы на склоновых землях.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

теоретически исследовать процесс водной эрозии на склоновых землях и наметить систему технологических мероприятий по защите почв от эрозии;

с учетом природно-климатических условий ведения сельскохозяйственного производства в КБР обосновать рациональные параметры дренажных систем для подпочвенного отвода сточных вод;

исследовать влияние исходной влажности почвы, интенсивности дождя, а также обработок почвы на сток воды и смыв почв;

обосновать комплекс технологических мероприятий по сохранению и повышению плодородия склоновых почв;

обосновать технологические параметры и режимы работы модернизированных машин для противоэрозионной обработки склоновых почв;

оценить агротехническую эффективность предлагаемых почвозащитных технологических мероприятий и противоэрозионного агрегата;

оценить экономическую эффективность использования результатов исследований.

Разработанная для решения поставленных задач программа исследования представлена в виде мультиграфа (рис. 1).

Во второй главе «Теоретические исследования процесса возникновения водной эрозии на склоновых землях» рассмотрены природно-климатические условия Кабардино-Балкарской республики. В частности, установлено, что климат КБР формируется под влиянием таких основных климатообразующих факторов, как географическая широта, рельеф местности, направление господствующих ветров, подстилающая поверхность и др.

Анализ годового режима выпадения осадков позволил получить исходные материалы для прогнозирования вероятной величины осадков и соотношения ее с критическим значением с целью разработки различных мероприятий по защите склоновых земель от эрозии.

Интенсивность водной эрозии зависит от большого числа взаимосвязанных факторов, в числе которых недостаточная изученность процесса эрозии, отсутствие в законченном виде теории и методики количественного прогноза интенсивности эрозии в зависимости от всей совокупности факторов.

Для исследования сопротивляемости почв в различных почвенных зонах КБР принят метод расчета по предельному состоянию для определения допускаемых (неразмывающих) скоростей водного потока. О целесообразности применения этого метода свидетельствует то обстоятельство, что прогноз возможной перегрузки и снижения устойчивости против средних расчетных значений основан на теории вероятностей и обработки данных опытов и наблюдений методами математической статистики.

Получено выражение для расчета предельных (неразмывающих) донных и средних скоростей, предшествующих отрыву частиц почвогрунта водным потоком:

,(1)

,(2)

где V_{oH_доп} - допускаемая (неразмывающая) донная скорость (т.е. скорость потока на уровне выступов шероховатости русла), м/с; V_{H_доп} - средняя по глубине потока допускаемая (неразмывающая) скорость, м/с; Н - глубина потока, м; d - средний размер отрывающихся отдельностей, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; k - коэффициент условий

размыва, который рассчитывается по выражению k=R₁R₂R₃; R₁ - коэффициент, зависящий от состояния растительности и почвы, при котором протекает процесс;R₂ - коэффициент, зависящий от присутствия в потоке наносов (наносы в коллоидном состоянии R₂=1,4, чистый поток R₂=1, донные коррозионные наносы R₂=0,85); R₃ - коэффициент, зависящий от исходной влажности грунта и изменяющийся от 1 (водонасыщенное состояние) до 0,04

Рис. 1. Мультиграф общей программы исследования:

СП - состояние проблемы; ОП - опыт производства; ИЛ - изучение литературы; НИ - предшествующие научные исследования; ЗО - зарубежный опыт; ЦЗИ - цель и задачи исследования; ОМИ - общая методика исследования; ТИ - теоретические исследования; ТОВТ -теоретические основы выбора технологий; ОТТП - обоснование технологических требований к обработке склоновых почв; ОПППС - особенности противоэрозионной обработки склоновых почв; РТОСП - разработка технологий обработки склоновых почв; ТО ВТС - теоретическое обоснование выбора технических средств; АП ТС - анализ выпускаемых промышленностью технических средств; ОВТС - обоснование выбора технических средств; формирование машинно-технологических комплексов обработки склоновых почв; ТЭО ТиТС ОСП - технико-экономическая оценка технологий и технических средств обработки склоновых почв; ЭТИ - экспериментальные технологические исследования; МИУ ОСП - методика исследования условий обработки склоновых почв; ФТ ОСП - формирование требований к обработке склоновых почв; ФКТМ - формирование комплекса технологических мероприятий; МОТП ТС - методика определения технологических параметров технических средств, МОИТС - методика организации использования технических средств; КОТД - комплект организационно-технологической документации; ТЭО - технико-экономические обоснования; БП - бизнес-планы; ОТП - организационно-технологическая документация; КП - комплексные проекты; ПП - проектные предложения; РТМ - руководящие технологические материалы; ОТМ - организационно-технологические мероприятия; ВП - внедрение в производство; ЭОФ - экономическая оценка функционирования; ПФО - предложения в федеральные органы; ПСО - предложения смежным отраслям; ПЗИ - предложения заводам-изготовителям.

(пересохшие грунты, содержащие гидрофильные материалы); - коэффициент, учитывающий влияние пульсационного характера скоростей на размывающую способность потока, равный квадрату отношения пульсационной мгновенной донной скорости к осредненной донной скорости (=1…4); г₂ , г_о - соответственно, удельный вес агрегатов и воды, кг/м²; G^н_у - нормативная усталостная прочность на разрыв, т/м³.

В силу многообразия дождей, которые зарегистрированы на различных метеостанциях, нереально ставить задачу создания точно таких же осадков с помощью дождевальных установок. Необходимо установить характеристику дождя, которая была бы тесно связана со смывом почвы. Имея такую характеристику для естественного дождя, можно подобрать параметры для искусственного дождя, который обеспечивал бы такой же эрозионный эффект, как и естественный, т.е. необходимы критерии для выбора параметров искусственного дождя. Несмотря на то, что дождевание применяется уже несколько десятилетий, такие критерии до сих пор все еще не были получены. Их отсутствие создавало большую неопределенность в интерпретации получаемых результатов.

Эрозионный процесс начинается с удара капли о почву. При ударе о твердую поверхность происходит торможение капли. Работа сил торможения при выпадении слоя воды h = I t будет равна

A = at, (3)

где a = VI² - мощность сил торможения, Вт/м².

Величина A является эрозионной характеристикой дождя. При ее использовании для выбора параметров искусственного дождя необходимо, чтобы выполнялось равенство

A_н = A_м = V_мI²_м t_м. (4)

Равенство (4) является необходимым, но не достаточным. Например, из этого условия можно выбрать такую низкую интенсивность I_м (и большую продолжительность t_м), что обеспечит полное впитывание осадков. Поэтому необходимы дополнительные критерии выбора параметров дождя.

С общих позиций моделирования любой воспроизводимый на моделях процесс должен быть качественно таким же, как и процесс, протекающий в натурных условиях. В данном случае это означает, что при дождевании должно происходить разбрызгивание почвы и формирование стока и смыва.

Самое простое и надежное решение этой задачи заключается в выборе значений параметров искусственного дождя (интенсивность, продолжительность, размер и скорость капель), которые были бы близки к естественному дождю, но при этом соблюдалось равенство (4).

Анализ многолетних данных по дождевым осадкам, вызвавшим смыв почвы, показал, что такие дожди имеют «ядро», как правило, с одним (реже с двумя) максимумами. Это «ядро» в основном и вызывает смыв почвы. Следовательно, параметры искусственного дождя должны определяться этим «ядром» из равенства

a_н = a_м или V_нI_н² = V_мI_м², (5)

где I_н, V_н - максимальная (или близкая к ней) интенсивность естественного дождя и соответствующая ей скорость падения капель, мм/мин.

Отсюда

I_м = I_н . (6)

Поскольку при дождевании, как правило, V_м < V_н, то должно быть I_м > I_н. Ударный эффект капель о почву зависит от импульса mV. Отсюда следует, что если V_м < V_н, то для искусственного дождя диаметр капель должен быть несколько больше, чтобы значение импульса для обоих случаев было примерно одинаковым.

Таким образом, главным критерием выбора параметров искусственного дождя является условие (4). Соотношение (6) дает некоторую свободу выбора значений для параметров I_м и V_м.

Задачу определения междренных расстояний для объектов с различной гидрогеологической и мелиоративной обстановками обычно решают методами математической физики. Эти методы дают возможность получить прямое решение задачи при напорной фильтрации. В случае же свободного (безнапорного) движения грунтовых вод, когда контур области движения задан лишь в некоторой его части, необходим ряд дополнительных условий, которые приводят к особым трудностям, применению разных допущений, схематизации и использованию сложного математического аппарата, а получаемые результаты, особенно при расчете сельскохозяйственного дренажа для защиты почв от водной эрозии, практически малоприемлемы.

Анализ наиболее распространенных расчетных зависимостей убеждает, что в настоящее время для различных зон существует ряд важнейших решений, которые можно успешно использовать для определения основных параметров дренажа при проведении полевых экспериментов. Входящие в расчетные зависимости параметры подбирались на основе экспериментов.

В общем случае уравнение водного баланса для промежутка времени Дt=t_j-1 с учетом притока воды сверху из напорного пласта, определенного слабопроницаемой прослойкой, имеет вид:

,(7)

где h_j, h_j-1 - определенные значения глубины фильтрационного потока в начале и в конце времени Дt=t_j - t_j-1, м; Н_о - напор в нижнем потоке, м; h_g - значение уровня воды в дрене, м; В - междренное расстояние, м; м - осредненное значение коэффициента водоподачи; R, R_n - осредненные значения коэффициента фильтрации верхнего и нижнего слоев, м/сут; m_n, m - соответственно мощности нижнего слоя и толщи под дреной, м; m_cp - средняя мощность потока, м; е_о - осредненное значение инфильтрационного питания почвы (е_о > 0) или интенсивность испарения с поверхности почвы (е_о < 0), л/с; 0,5Вв - средняя длина пути фильтрации потоков в верхнем пласте в дрену, м; в - расчетная константа.

Междренное расстояние рассчитано по зависимости:

,(8)

где h_oo - значение уровня воды (напора) в дрене; h_о - начальная глубина потока, м; b_о - ширина лыски дренера, м.

Параметры А, С, а, m₁ и m₂ определены по формулам:

А = (р+n)/(2n); C = (р-n)/(2n); m₁ = -(р-n)/4; m₂ = -(р+n)/4; a = рR/2.

Следует отметить, что с помощью формулы (8) можно также прогнозировать динамику уровня верховодки в корнеобитаемом слое для рассмотренных гидрогеологических условий. Кроме того, в маловодопроницаемых грунтовых зонах с продолжительными осадками можно дополнительно определять оптимальные глубины закладки дрен и нормы интенсивного орошения, выбрать конструкцию дренажа с учетом усиления интенсивности отвода грунтовых вод.

В данной главе также приведены результаты исследования процесса работы противоэрозионного агрегата, предназначенного для щелевания с одновременной прокладкой дренажных каналов. Агрегат содержит нож 1 (рис. 2) и прикрепленный тяговым устройством 2 сменный дренер 3.

Рис. 2. Схема к исследованию процесса работы противоэрозионного агрегата

Проведенные теоретические исследования позволили записать формулу для расчета общего сопротивления движению ножа и прикрепленного тяговым устройством сменного дренера:

,(9)

где - усилие резания ножом, Н; - сопротивление дренера, Н; - поверхностное трение, действующее вдоль дренера, Н; - сопротивление протягиванию заглубленного троса, Н; - реакция от налипания грунта на боковую поверхность ножа, Н; - реакция от налипания грунта на боковую поверхность дренера, Н.

Наряду с технологическими и техническими требованиями при выполнении механизированных работ по противоэрозионной обработке почвы исходили из экономической целесообразности - получение дополнительного дохода (прибыли) сельскохозяйственными товаропроизводителями. При этом дополнительный доход от реализации комплекса мер по противоэрозионной обработке получен от повышения урожайности возделываемых культур и ввода дополнительных площадей в севооборот.

Реализация противоэрозионных мероприятий безусловно потребует дополнительных инвестиций как на их проведение, так и на приобретение или создание технических средств. Таким образом, технико-экономический критерий целесообразности проведения противоэрозионных мероприятий можно представить в общем виде

,(10)

где - прирост прибыли от реализации дополнительно полученной продукции, р./га; П_З - удельные затраты на производство дополнительной продукции, р./га; К- капиталовложения на техническое обеспечение противоэрозионной обработки почвы, р./га; Е_Н - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

Дополнительная прибыль от производства и реализации дополнительной продукции может быть получена как разность между ценой реализации и производственными затратами

,(11)

где Ц - цена реализации продукции, р./т; С_П - себестоимость производства продукции, р./т; - прирост урожайности, т/га; - прирост посевных площадей, га.

По данной формуле может быть определен и убыток предприятия при уменьшении посевных площадей при непроведении противоэрозионных мероприятий.

Достоверность обоснования затрат сельскохозяйственных товаропроизводителей на выполнение механизированных работ по противоэрозионной обработке почвы лежит в основе оценки эффективности данных мероприятий, обоснования и выбора технических средств для выполнения этих работ. Поэтому их планирование должно максимально достоверно отражать реальную годовую наработку машин, затраты на приобретение и эксплуатацию машин и орудий, оплату труда работников, обязательные платежи и другие производственные затраты. При этом стоимость полученной продукции должна обеспечивать не только возврат затраченных на ее производство материально-технических и других ресурсов, но и прибыль, достаточную для ведения расширенного производства.

В общем виде издержки С_С на механизированные работы определяются по формуле

(12)

где А - амортизационные отчисления на полное восстановление МТА (машин), р.; З_Н - заработная плата основных производственных рабочих с начислениями, р.; З_ТСМ - затраты на топливно-смазочные материалы, р.; З_ТОРХ - затраты на ТО, ремонт и хранение МТА (машин), р.; О_ПР - сумма общепроизводственных расходов предприятия, р.;

Существенную долю в структуре стоимости выполнения механизированных работ составляют общепроизводственные расходы, которые включают затраты: на амортизацию, ремонт и содержание зданий, сооружений и других стационарных и передвижных средств управления; на содержание вспомогательного и ремонтно-обслуживающего персонала, охраны; на отопление, освещение, водоснабжение и пр.

Полная (коммерческая) себестоимость производства единицы механизированных работ составит

, (13)

где К_ОПР, К_Р, К_Н - коэффициенты, учитывающие соответственно общепроизводственные расходы, плановую рентабельность и налоги.

Снижение себестоимости механизированных работ является необходимым условием повышения эффективности сельскохозяйственного производства и выбора эффективных технических средств для противоэрозионной обработки склоновых почв КБР.

В основу определения оптимального количественного и марочного состава машинно-тракторного парка положены экономически целесообразные сроки проведения механизированных работ, которые определены по минимальному значению показателя интегральных затрат И_З для основных технологических операций, учитывающему себестоимость работ С, капиталовложения на приобретение машин К_М и убытки от потерь с.-х. продукции С_у:

, (14)

где Е_Н - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

Определив значения составляющих показателя интегральных затрат в зависимости от продолжительности выполнения технологических операций и просуммировав их значения, получим зависимость интегральных затрат от продолжительности работ. Минимальное значение интегральных затрат будет при экономически целесообразной продолжительности механизированных работ, на основании которой и определяется число машинно-тракторных агрегатов (машин) для выполнения данного вида работ.

Оптимальный агросрок выполнения конкретной технологической операции определен для природно-климатической зоны и обязательно приводится в типовых технологических картах возделывания с.-х. культур. Количественный и марочный состав МТП хозяйства напрямую зависит от продолжительности выполнения технологических операций, производительности и стоимости машин, их годовой загрузки. В связи с резким возрастанием стоимости машин по сравнению со стоимостью с.-х. продукции, ростом потребности в единовременных затратах на формирование парка машин и увеличением эксплуатационных расходов появляется необходимость определения экономически целесообразных сроков проведения технологических операций. Очевидно, что дополнительные капиталовложения на формирование парка машин должны компенсироваться снижением потерь с.-х. продукции. Поэтому, зная объемы работ по технологическим операциям, представляется возможным выполнить многовариантные расчеты и определить экономи-чески целесообразные сроки их проведения.

При изменении количественного и марочного состава машинно-тракторного парка изменяются и составляющие себестоимости работ. Но если прямые затраты незначительны и их можно считать условно постоянными, то общепроизводственные расходы с наращиванием производственного потенциала возрастают в 1,5-2,0 и более раз.

Марочный состав энергомашин сельскохозяйственных товаропроизводителей определяется на основании сравнительной оценки полной себестоимости выполнения технологических операций различными машинно-тракторными агрегатами. Для этого затраты, входящие в себестоимость работ выражаются через параметры в зависимости от производительности агрегата или машины. Предпочтение отдается энергомашинам, имеющим наименьшее значение данного показателя.

В третьей главе «Программа и методика проведения экспериментальных исследований» поставлены цели экспериментальных исследований, приведены программа и методика проведения, планирования и обработки результатов этих исследований, описаны применяемые приборы и экспериментально-лабораторные установки. При проведении экспериментальных исследований были решены следующие задачи:

проверка и уточнение результатов теоретических исследований процесса водной эрозии почв;

оптимизация основных параметров дренажных систем для подпочвенного отвода сточных вод;

проведение лабораторных исследований влияния интенсивности дождя и исходной влажности почвы на сток и смыв;

проведение полевых исследования влияния видов обработки на сток и смыв почвы;

проведение полевых исследований влияния щелевания с одновременным дренированием на агрофизические свойства почвы и урожайность возделываемых культур.

Данные задачи исследования позволили определить в лабораторных условиях влияние на сток и смыв почвы интенсивности дождя, исходной влажности почвы, видов обработки почвы, влияния щелевания и дренирования на объемную массу верхнего корнеобитаемого слоя почвы, твердость почвы и влажность верхнего горизонта почвы. Лабораторные исследования были проведены во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии РАСХН (г. Курск); полевые исследования - в условиях КСХП «Заря» и «Красная Кабарда» Баксанского района КБР.

Выбор и комплектование состава машинно-тракторного парка является одной из основных задач, от решения которых зависят производительность и качество работ, издержки на их выполнение и конечные результаты работы сельскохозяйственных товаропроизводителей. Методика определения марочного и количественного состава машинно-тракторных агрегатов базируется на оценке производственных и эксплуатационных затрат, минимальное значение которых указывает на целесообразность применения оконкретных МТА и марок машин. Для определения эксплуатационных затрат и выбора МТА в работе предложены методики, новизна которых заключается в способах определения: затрат на амортизацию машин исходя из полного ресурса машины (по паспорту); норматива и затрат денежных средств на техническое обслуживание и ремонт машинно-тракторного парка на основании разработанной методики и компьютерной программы; затрат на топливно-смазочные материалы. Количественный состав парка машин хозяйств определяли на основании методики, позволяющей установить экономически целесообразные сроки проведения технологических операций. Это позволяет оптимизировать число машин и годовую их загрузку, существенно снижая потребности сельскохозяйственных товаропроизводителей в технике и капиталовложениях. Предлагаемая методика обоснования состава технических средств для противоэрозионной обработки склоновых почв предусматривает следующие этапы.

1. Формирование исходных данных. Для обоснования состава МТА были использованы следующие исходные данные хозяйств:

специализация хозяйств и размеры сельскохозяйственных угодий;

структура посевных площадей;

зональные технологические карты возделывания и уборки культур;

количественный и марочный состав МТП;

численность механизаторов;

нормативы годовой загрузки тракторов и сельскохозяйственных машин;

нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые, тракторно-транспортные и погрузочные работы;

расценки на выполнение механизированных работ;

нормативы расхода материально-технических ресурсов и их цены;

транспортные тарифы на перевозку машин и грузов;

действующие оптовые и закупочные цены на сельскохозяйственную продукцию;

фактическая себестоимость сельскохозяйственной продукции.

2. Обоснование и выбор машинно-тракторных агрегатов. Операции для принятия оптимального решения выполнялись в следующей последовательности:

на основании структуры посевных площадей и прогнозируемой урожайности культур выбираются технологические карты заданных культур; предусматривается возможность корректировки существующих зональных карт и формирования оригинальных технологий возделывания и уборки;

для сводного плана заданных технологических операций составляется альтернативный список всех выполняющих их машин и агрегатов; рассчитываются затраты труда, расход топлива, максимальный объем работ, доступный выполнению данным агрегатом за агротехнический срок, определяются затраты на техобслуживание, ремонт и хранение;

рассчитываются полные затраты на выполнение механизированных работ для каждой машины с учетом действующего уровня оплаты труда и цен на материально-технические ресурсы для различных вариантов технологий;

специальная программная процедура формирует граф для всех альтернативных вариантов выбора технических средств;

для сформированного графа определяются такие расстановки машин по операциям, которые обеспечивают минимум затрат на механизированные работы;

на основании определенной выше расстановки машин по операциям рассчитываются графики работы механизаторов и загрузки основных энергосредств;

рассчитываются полные материальные затраты на выполнение технологических операций;

строятся графики загрузки машин, разрабатываются маршруты и уточняются сроки и стоимость механизированных работ;

на основании выработки машин на планируемый период выбираются типы и марки машин, использующиеся в конкретных хозяйствах; предусматривается корректировка нормативно-справочных данных.

3. Определение числа машинно-тракторных агрегатов (машин). Число МТА зависит от объемов механизированных работ на данной технологической операции (Q_О), их производительности (W_см), продолжительности выполнения работ (Т_о), влияния различных природных и производственно-экономических условий и факторов, имеющих вероятностный характер, определено по формуле:

,(15)

где К_п - поправочный коэффициент, учитывающий конкретные природные и производственно-экономические условия; К_г - коэффициент готовности МТА; К_см - коэффициент использования сменного времени.

При этом число сельскохозяйственных машин и орудий зависит от их количества в машинно-тракторном агрегате. Производительность машинно-тракторных агрегатов может быть определена на основании разработанных типовых норм выработки. Типовые нормы выработки для конкретных производственных условий хозяйств рассчитаны для рациональных составов и режимов работы машинно-тракторных агрегатов (машин); для полей правильной (квадратной и прямоугольной) конфигурации с ровным рельефом, без камней и препятствий, расположенных над уровнем моря на высоте до 500 метров; для почв со средней прочностью несущей поверхности, влажностью до 22 %. Конкретные производственные условия учитываются поправочными коэффициентами при изменении указанных выше факторов. Обобщенные поправочные коэффициенты (К_Вi) позволяют скорректировать типовые нормы на технологических операциях для любых конкретных условий и определяются по формулам:

(16)

где К_{В i} - соответственно поправочные коэффициенты к нормам выработки и расхода топлива, учитывающие средние: многолетнюю влажность, длину гона, удельное сопротивление почвы, угол склона, наличие препятствий, каменистость, сложность конфигурации полей.

4. Определение экономически целесообразной продолжительности работ. Продолжительность работ оказывает прямое влияние на количественный и марочный состав машинно-тракторного парка. Учитывая необоснованный рост цен на промышленную продукцию производственно-технического назначения для предприятий АПК представляется целесообразным при оптимизации машинно-тракторного парка исходить из экономически целесообразной продолжительности выполнения технологических операций. Но при превышении установленных для каждой природно-экономической зоны оптимальных агротехнических сроков выполнения технологических операций увеличиваются потери урожая с неубранной площади. Поэтому экономически целесообразная продолжительность работ определена по минимальному значению показателя удельных интегральных издержек (И_З), включающих себестоимость работ (С_С), капиталовложения на приобретение машин (К_М) и убытки от потерь с.-х. продукции (С_у):

, (17)

В рассматриваемой модели учитывается связь между стратегиями и эффективностью планируемых мероприятий, обеспечивающих нахождение экстремума экономического показателя и минимизации потерь. Отдельные стороны проблемы рассматриваются не изолированно, когда каждая из заинтересованных сторон (сельскохозяйственные, обслуживающие и промышленные предприятия) занимается оптимизацией процессов с учетом не только своих приоритетов и требований в отрыве от других явлений, а в рамках единой модели, которая систематизированным подходом охватывает все важнейшие аспекты организации механизированных технологических процессов.

5. Расчет капиталовложений на формирование различных вариантов машинно-тракторных агрегатов. Капиталовложения определяются суммированием стоимости машин входящих в них, а при включении в показатель интегральных затрат приводились к единице выполняемых работ по формуле

, (18)

где - число j-х машинно-тракторных агрегатов одновременно занятых на выполнении технологической операции, шт.; Ц _j - стоимость машин и орудий, составляющих машинно-тракторный агрегат, тыс. р.; Q_о - объемы работ по технологическим операциям, усл. эт. (физ.) га

Суммарная доля потерь продукции (недополученная прибыль) при выполнении технологических операций с продолжительностью, превышающей оптимальный агросрок, определяется по формуле

(19)

где Ц - средняя закупочная цена сельскохозяйственной культуры, р./т; У - ее потенциальная урожайность, т/га; k_i - доля потерь сельскохозяйственной культуры при ранней или задержке работы на i-е сутки после агросрока; Т_а - агротехнический срок работы, сутки; Т_ф - фактическая продолжительность выполнения работ, сутки; d - коэффициент, учитывающий технические, климатические и организационные потери рабочего времени.

При планировании продолжительности работы машинно-тракторного парка необходимо учитывать отрицательные факторы, влияющие на темп выполнения сельскохозяйственных операций, которые носят вероятностный характер: погодные условия, эксплуатационную готовность МТА и условия работы. К условиям работы относятся особенности полей (конфигурация, рельеф и др.), календарный период (зима, ранняя весна, ночное время), состояние обрабатываемого материала (влажность, спелость, повреждаемость), агротехнические требования. Условия работы учитываются подбором специальной техники, выбором скоростных режимов движения, определенной последовательностью исполнения технологических операций, временем суток их выполнения, регулировками машин.

Число календарных дней, в течение которых может быть выполнена та или иная сельскохозяйственная операция, определяется по формуле:

(20)

где Q - объем выполняемой работы по плану, га (т, ч); W_см - сменная норма выработки агрегата, га (т); K_П, K_Г, K_СМ - соответственно, коэффициенты погодности, готовности и сменности.

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 Q_i 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:

Обоснование состава МТА, обеспечивающего минимальные удельные издержки при выполнении механизированных работ хозяйств.

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.