IMPROVEMENT OF WATER AND ENERGY USE ON RICE IRRIGATION SYSTEMS

Розроблено та запропоновано метод системної оптимізації для покращення водо- та енергокористування у функціонуванні рисових зрошувальних систем (РЗС). Сформульовано підходи до вибору критеріїв та умов економічної й екологічної оптимізації під час побудови комплексних оптимізаційних моделей у проектах їх реконструкції та експлуатації. Науково обґрунтовано сукупність різнорідних та взаємопов'язаних показників (глибина рівнів ґрунтових вод у міжвегетаційний період для рису та у вегетаційний період для супутніх культур, мінералізація ґрунтових вод, тривалість періоду із стоянням рівня ґрунтових вод нижче від критичної глибини, ступінь засолення кореневмісного шару ґрунту, швидкість фільтрації з поверхні рисового чека, зрошувальна норма рису, загальний об'єм перекачаної води) як критеріїв оцінювання загальної ефективності водо- та енергокористування на функціональних РЗС. На основі системної оптимізації розроблено комплекс різнорідних та взаємопов'язаних режимних, технологічних і технічних рішень, спрямованих на підвищення загальної ефективності функціонування РЗС відповідно до сучасних економічних й екологічних вимог, удосконалено методи обґрунтування параметрів. Економія водних та енергетичних ресурсів на РЗС становить 20…50 %.Разработан и предложен метод системной оптимизации для улучшения водо- и энергопользования при функционировании рисовых оросительных систем (РОС). Сформулированы подходы к выбору критериев и условий экономической и экологической оптимизации при построении комплексных оптимизационных моделей в проектах их реконструкции и эксплуатации. Научно обоснована совокупность разнородных и взаимозависимых показателей (глубина уровней грунтовых вод в межвегетационный период – для риса и в вегетационный период – для сопутствующих культур, минерализация грунтовых вод, длительность периода со стоянием уровня грунтовых вод ниже критической глубины, степень засоления активного слоя почвы, скорость фильтрации из поверхности рисового чека, оросительная норма риса, общий объем перекачанной воды) как критериев оценивания общей эффективности водо- и энергопользования на действующих РОС. На основе системной оптимизации разработан комплекс разнородных и взаимозависимых режимных, технологических и технических решений, направленных на повышение общей эффективности функционирования РОС в соответствии с современными экономическими и экологическими требованиями, усовершенствованы методы обоснования параметров. Экономия водных и энергетических ресурсов на РОС составляет 20…50 %.Takingintoconsiderationscientificresearchandengineeringmaterialswhichembracehalfcenturyperiodandreflectweather-climaticchanges, mode-technologicalandsocio-economicconditionsonactingriceirrigationsystemsinUkraine, theoreticalfoundationsasforsystemicoptimizationofvariedandinterrelatedmode, technologicalandtechnical solutions of water and energy management on acting rice irrigation systems received future development; number of indexes as estimated criteria of their general efficiency and their parameters considering nature-ameliorative changing conditions in fixed time periods and possible efficiency levels was scientifically determined; character and contact level among them were established. Based on systemic optimization series of interrelated modes, technological and technical measures as for necessity and expediency of trans-passing from traditional resource-cost to rational resource-saving level of water and energy management, re -usage of drainage-waste waters, performing deep earth loosening with improved low-cost techniques, periodic saline soils flushing including deep soil loosening, upgrading existing open drainage-waste network on close drain-collectors, arrangement off-cannel drainage system to protect drainage-waste cannels from their route deviation were worked out. These measures are directed on rising general efficiency of acting rice irrigation systems considering modern economic and ecologic requirements. Sustainable mode methods were improved. Scientific approaches to systemic optimization based on ecology-economic measures of general nature-amelioration mode of rice systems, technological and technical solutions of water and energy management which sustain it in various criteria in different time levels based on systemic observation of rice systems as a complex nature-technical ecology-economic system were upgraded. On ecology-economic principles general notions formation and implementation of systemic optimization complex models which are interrelated with regime, technology and constructive water and energy management solutions on rice irrigation systems for a long term period were worked out.Optimal parameters of various indexes: mode (speed filtration), technological (irrigated rice standard, rice quota in crop rotation, dilution degree of reused drainage-waste waters) and constructive solutions (construction and drainage parameters of check-maps including deep earth loosening) for the developed complex of measures to increase efficiency of acting rice systems were substantiated

ТЕОРЕТИЧНІ ТА ПРАКТИЧНІ АСПЕКТИ СИСТЕМНОЇ ОПТИМІЗАЦІЇ ФУНКЦІОНУВАННЯ РИСОВИХ ЗРОШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ НА ЕКОЛОГО-ЕКОНОМІЧНИХ ЗАСАДАХ

The approaches to optimization on ecological and economic bases of technical and technological decisions on water regulation in projects of reconstruction and operation of rice irrigation systems (RIS) are grounded and developed. The regime, technological and technical aspects of water regulating at the RIS in the interconnection in the variables of the natural agro-reclamation conditions on the example of the Danube RIS are researched and evaluated. The general principles of construction and implementation of models of optimization of technical and technological decisions on water regulating at RIS on ecological and economic principles have been developed.Обоснованы и разработаны подходы к оптимизации на экологоэкономических основах технических и технологических решенийпо водорегулированию в проектах реконструкции и эксплуатациирисовых оросительных систем (РОС). Исследованы и оценены  режимные, технологические и технические аспекты водорегулирования РОС во взаимосвязи в переменных естественно-агромелиоративных условиях на примере Придунайских РОС. Разработаны общие принципы построения и реализации моделей оптимизации технических и технологических решений по водорегулирования РОС на эколого-экономических основах.Обгрунтовано та розроблено підходи до оптимізації на екологоекономічних засадах технічних і технологічних рішень з водорегулювання у проектах реконструкції та експлуатації рисових зрошувальних систем (РЗС). Досліджено та оцінено режимні, технологічніта технічні аспекти водорегулювання на РЗС у взаємозв’язку в змінних природно-агро-меліоративних умовах на прикладі Придунайських РЗС. Розроблено загальні принципи побудови й реалізації моделей оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання на РЗС на еколого-економічних засадах

МЕТОДОЛОГІЧНІ ТА ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ УДОСКОНАЛЕННЯ РОЗРАХУНКУ ВОДНИХ РЕЖИМІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР

Deficit of water resource in the country requires a careful approach to the use of irrigation water, adjusting the timing and rates of irrigation.Special place in solving these problems takes the issue ofsubstantiation of water consumption norms of crops and irrigationrates. When determining the irrigation rate of any crop, the mostsignificant factors are the wetting depth and the soil moisture limits that must be maintained. Traditionally, irrigation rates are determined by the lowest moisture capacity and the minimum of allowable water supply for plants. The article proved that irrigation norms of crops should be linked to the conditions of natural formation of soils and determined their value by the difference of rainfall during the growing season for very wet (probability 85%) years under the conditions of natural water supply. It is necessary to take into account the productive soil’s moisture at the beginning of the growing season. Therefore, irrigation rates should be determined not by the lowest moisture capacity and minimum of allowable water supply for plants, but by the optimal humidity of the soil with permissible marginal deviations of 5… 10% of the optimum value (for soil porosity). Using the proposed method for determining irrigation rates of crops will allow more efficient use of irrigation water within the field and maintain a satisfactory ecological and ameliorative state.Дефицит водных ресурсов страны требует тщательного  подхода к использованию поливных вод, корректировки сроков и норм увлажнения. Особое место в решении указанных  проблем занимают вопросы обоснования норм  водопотребления сельскохозяйственных культур и величины поливных норм. При определении величины поливной нормы любой культуры наиболее существенными факторами являются глубина промачивания и предельные значения влажности почвы. Традиционно поливные нормы определяют по наименьшей влагоемкости и минимально допустимому запасу  воды для растений. В статье доказано, что оросительные  нормы сельскохозяйственных культур необходимо увязывать с условиями естественного формирования почв и определять их величину по разнице сумм осадков за вегетационный период для лет естественной водообеспеченности (вероятностью 85%). При этом  необходимо учитывать производительный запас влаги в почве к началу вегетации. Таким образом, поливные нормы следует определять не по наименьшей влагоемкости и минимально допустимому запасу воды для растений, а по оптимальной влажности почвообразования с допустимыми предельными отклонениями 5...10% оптимального значения (по скважности почвы). Предложенный метод по определению оросительныхи поливных норм сельскохозяйственных культур позволит болееэффективно использовать оросительную воду в пределах поля и поддерживать на нем удовлетворительное эколого-мелиоративное состояние.Дефіцит водних ресурсів країни потребує ретельного підходу довикористання поливних вод, коригування строків і норм  зволоження. У статті проаналізовано традиційні методи визначення величини поливних норм: за найменшою  вологоємністю та мінімально допустимим запасом води для рослин. Режим зрошення сільськогосподарських культур слід ув’язувати не з водозабезпеченням рослин та їхнім урожаєм, а з оптимальною вологістю ґрунтоутворення.Тому запропонований новий підхід визначення поливних і зрошувальних норм за шпаруватістю ґрунту. Це дозволить більш ефективно використовувати зрошувальну воду в межах поля та підтримувати на ньому задовільний еколого-меліоративний стан

ФОРМУВАННЯ ВОДНОГО РЕЖИМУ ТА СОЛЬОВОГО БАЛАНСУ РИСОВОЇ КАРТИ-ЧЕКА ПІД ВПЛИВОМ ЗРОШУВАЧА-СКИДУ

The effectiveness of card-checking of the wide front of flooding and discharging of water (KCD) in comparison with Krasnodar type maps (CCT) has been investigated. On the basis of long-term field research, the role of irrigation-discharger in the formation of water and salt regime on irrigation rice maps has been defined. The research was conducted on two experimental plots each consisting of two card-checks and maps of the Krasnodar type. In both areas during all years of research, a shortened regime of rice flooding under the condition of application of anti-herbicide herbicides was maintained. We have revealed that on the cards of checks of the wide front of flooding and discharging with different parameters a more favourable water-salt regime during irrigation was created in comparison with Krasnodar type maps. At KCD in the best possible terms there is an initial flood, which cannot be said about control CCT. Thanks to the drainage action of the irrigation system, the card was washed more intensively after the discharge of water. The presence on the KCD of the irrigation canal allows operatively, evenly throughout the length of the card to submit and dispose of water, as well as to play the role of shallow drains, due to which more intense drying and distilled soils on the KCD. The advantage of card-checks of the wide front of flooding and discharging at the technological discharges of water from rice cards is explained by the fact that the discharge of water into the irrigation channel is carried out along its entire length (about 900 m) there, while on the control CCT with the help of four check water discharges with low bandwidth. As a result of the balance-sheet research, it was found that at a mitigation distance of 200 m on card-checks, the salinity of the upper 1.2 m layer of soil on average during the research was 4 % higher than on control CCT, and at a short distance of 250 m, a decrease in salt reserves at KCD was 8 % higher than on control CCT. It has been established that on map-checks of the broad front flooding and discharging of rice yield on average by 4-5 centner/ha was higher than on the CCT of the corresponding parameters.Исследована эффективность функционирования карт-чеков широкого фронта затопления и сброса воды (КЧД) по сравнению с картами Краснодарского типа (ККТ). На основании многолетних полевых исследований установлена роль оросителя-сброса в формировании водного и солевого режима на поливных рисовых картах. Исследования проведены на двух экспериментальных участках, каждый из которых состоял из двух карт-чеков и карты Краснодарского типа. На обоих участках на протяжении всех лет исследований поддерживался укороченный режим затопления риса при условии применения противозлаковых гербицидов. Установлено, что на КЧД с различными параметрами создается более благоприятный водно-солевой режим в течение оросительного периода по сравнению с ККТ. На КЧД в наиболее оптимальные сроки происходит начальное затопление, чего нельзя сказать о контрольных ККТ. Благодаря дренирующему действию оросителя-сброса также более интенсивно происходит просыхание карты после сброса воды. Наличие на КЧД оросительно-сбросного канала позволяет оперативно, равномерно по всей длине карты подавать и отводить воду, а также выполнять роль неглубокой дрены, благодаря чему на КЧД интенсивнее просыхают и обессоливаются почвы. Установлено, что на КЧД урожайность риса в среднем на 4-5 ц/га выше, чем на ККТ соответствующих параметров.Досліджено ефективність функціонування карт-чеків широкого фронту затоплення та скиду води (КЧД) порівняно з картами Краснодарського типу (ККТ). На основі багаторічних польових досліджень встановлено роль зрошувача-скиду в формуванні водного та сольового режиму на поливних рисових картах. Дослідження проведено на двох експериментальних ділянках, кожна з яких складалась з двох карт-чеків і карти Краснодарського типу. На обох ділянках протягом усіх років досліджень підтримувався вкорочений режим затоплення рису за умови застосування протизлакових гербіцидів. Встановлено, що на картах-чеках широкого фронту затоплення та скиду з різними параметрами створюється більш сприятливий водно-сольовий режим впродовж зрошувального періоду порівняно з картами Краснодарського типу. На КЧД в найоптимальніші терміни відбувається початкове затоплення, чого не можна сказати про контрольні ККТ. Завдяки дренуючій дії зрошувача-скиду інтенсивніше відбувається просихання карти після скиду води. Наявність на КЧД зрошувально-скидного каналу дає змогу оперативно, рівномірно по всій довжині карти подавати та відводити воду, а також виконувати роль неглибокої дрени, завдяки чому на КЧД інтенсивніше просихають і розсолюються ґрунти. Встановлено, що на КЧД врожайність рису в середньому на 4–5 ц/га вища, ніж на ККТ відповідних параметрів

КОМПЛЕКС ЗАХОДІВ З ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ФУНКЦІОНУВАННЯ РИСОВИХ ЗРОШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ

A complex of regime, technological and technical measures aimed at increasing the overall efficiency of the operation of rice irrigationsystems (RIS) in accordance with modern economic and ecologicalrequirements was developed. The possibility and expediency of reuse of drainage and drainage waters of rice systems provided that they are diluted with fresh water is substantiated. To increase the drainage of card-checks at the RIS and to ensure the uniformity of filtration and flushing in their area and profile, the feasibility of introducing a deep loosening of soil has been substantiated. To enhance the drainage of RIS card-checks and to prevent soil re-placement along irrigation channels, the design of card-checks has been improved by arranging additional intracarded closed drain collectors between existing open drainage and drainage channels, as well as catching drains along the irrigation canal. Measures for protecting drainage and drainage channels from channel deformations have been developed.Разработан комплекс режимных, технологических и техническихмероприятий, направленных на повышение общей  эффективности функционирования рисовых оросительных систем (РОС) в соответствии с современными экономическими и экологическими требованиями. Обоснована возможность и целесообразность повторного использования дренажно-сбросных вод рисовых систем при условии их разбавления пресной водой. Для усиления дренированности карт-чеков РОС и обеспечения равномерности фильтрации и промывки по их площади и почвенному профилю обоснована целесообразность проведения глубокого рыхления почвы. С целью предотвращения переувлажнению почв вдоль оросительных каналов усовершенствована конструкция карт-чеков путем устройства дополнительных внутрикартовых закрытых дрен-коллекторов между существующими открытыми дренажно-сбросовыми каналами, а также ловчей дрены вдоль оросительного канала. Разработаны меры защиты дренажно-сбросных каналов от деформаций русла.Розроблено комплекс режимних, технологічних та технічних заходів, направлених на підвищення загальної ефективності функціонування рисових зрошувальних систем (РЗС) у відповідності до сучасних економічних й екологічних вимог. Обґрунтовано можливість та доцільність повторного використання дренажно-скидних вод рисових систем за умови їх розбавлення прісною водою. Для посилення дренованості карт-чеків на РЗС і забезпечення рівномірності фільтрації й промивки по їх площі та профілю обґрунтовано доцільність запровадження глибокого розпушення ґрунту. Для запобігання перезволоженню ґрунтів вздовж зрошувальних каналів удосконалено конструкцію карт-чеків шляхом улаштування додаткових внутрікартових закритих дрен-колекторів між існуючими відкритими дренажно-скидними каналами, а також ловчої дрени вздовж зрошувального каналу. Розроблено заходи захисту дренажноскидних каналів від деформацій русла

Specific ion effects on the electrokinetic properties of iron oxide nanoparticles: Experiments and simulations

We report experimental and simulation studies on ion specificity in aqueous colloidal suspensions of positively charged, bare magnetite nanoparticles. Magnetite has the largest saturation magnetization among iron oxides and relatively low toxicity, which explain why it has been used in multiple biomedical applications. Bare magnetite is hydrophilic and the sign of the surface charge can be changed by adjusting the pH, its isoelectric point being in the vicinity of pH = 7. Electrophoretic mobility of our nanoparticles in the presence of increasing concentrations of different anions showed that anions regarded as kosmotropic are more efficient in decreasing, and even reversing, the mobility of the particles. If the anions were ordered according to the extent to which they reduced the particle mobility, a classical Hofmeister series was obtained with the exception of thiocyanate, whose position was altered. Monte Carlo simulations were used to predict the diffuse potential of magnetite in the presence of the same anions. The simulations took into account the ion volume, and the electrostatic and dispersion forces among the ions and between the ions and the solid surface. Even though no fitting parameters were introduced and all input data were estimated using Lifshitz theory of van der Waals forces or obtained from the literature, the predicted diffusion potentials of different anions followed the same order as the mobility curves. The results suggest that ionic polarizabilities and ion sizes are to a great extent responsible for the specific ion effects on the electrokinetic potential of iron oxide particles.The authors thank the financial support from the following institutions: (i) ‘Ministerio de Economía y Competitividad, Plan Nacional de Investigación, Desarrollo e Innovación Tecnológica (I + D + i)’, Projects MAT2013-44429-R, MAT2012-36270-C04-04 and -02. (ii) ‘Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa de la Junta de Andalucía’, Projects P09-FQM-4698, P10-FQM-5977, and P11-FQM-7074. (iii) European Regional Development Fund (ERDF)