DE3711825A1 - Verfahren und anordnung zum bewaessern in der duerrezonenlandwirtschaft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bewässern von Erdreich (in Trocken- oder Dürrezonen) unter Nutzung einer einzigartigen Taukondensationserschei­ nung in Trocken- oder Dürrezonen, in denen der Tag-Nacht- Temperaturunterschied in der Größenordnung von bis zu 20°C liegt.

In Trocken- oder Dürrezonen, in denen die Regennieder­ schlagsmenge gering, die Wasserverdunstung dagegen groß ist, erfolgt die Bewässerung für landwirtschaftliche Zwecke herkömmlicherweise durch häufiges und ausgiebiges Be­ rieseln der Bodenoberfläche oder Eindringenlassen von Wasser in den Untergrund. Zur Verhinderung einer Wasser­ verdunstung werden dabei eine Borkenmulchmethode angewandt oder Vinyl-Gewächshäuser bzw. -Schläuche und verschie­ dene Wasserzurückhaltemittel eingesetzt. Diese bisherigen Methoden sind jedoch sämtlich mit folgenden Problemen be­ haftet:

• 1) Sowohl bei der Oberflächen- als auch bei der Unter­ grundbewässerung tritt ein Aussalzen von Salzbestandteilen aus der Umgebung des (Nutz-)Erdreichs auf, wobei die ent­ stehenden Aussalzungsstoffe bis zur Bodenoberfläche hoch­ steigen und sich im Erdreich ansammeln.
• 2) Für die Lösung dieses Problems ist eine örtliche Be­ wässerung des Erdreichs im Pflanzenwurzelbereich mit der erforderlichen Wassermenge oder ein Spülen (flushing) des Erdreichs mit Wasser niedrigen Salzgehalts oder Frisch­ wasser nötig.
• 3) Die Wirksamkeit der Bewässerungsmethoden ist jedoch außerordentlich gering, weil die Wasserverdunstung an der Bodenoberfläche in Dürrezonen, wie Wüsten, wegen der hohen Oberflächentemperatur aufgrund der Sonneneinstrah­ lung bei Tag und auch der Absorption der Tageswärme bei Nacht sehr groß ist. Infolgedessen wird normalerweise eine sehr große Wassermenge benötigt, um Pflanzungen aus­ reichend mit Wasser zu versorgen.
• 4) Für die Deckung des hohen Frischwasserbedarfs werden dabei Systeme, wie Wasserentsalzung-Destillationsanlagen eingesetzt. Die Errichtungskosten für Anlagengebäude, der hohe Energiebedarf, die Einführung der nötigen Technologie und die technische Ausbildung (des Bedienungspersonals) stellen jedoch für gewisse Länder, insbesondere sog. Ent­ wicklungsländer, in denen allgemein weite Dürregebiete vorhanden sind, eine außerordentlich große Belastung dar.

Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Lösung für eben diese Probleme. Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaf­ fung eines Verfahrens und einer Anordnung zum Bewässern von Erdreich, d.h. landwirtschaftlichen Nutzflächen, in Dürregebieten, wobei vorteilhaft insbesondere Fluß- oder Seewasser für die Bewässerung genutzt werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Maßnahmen bzw. Merkmale gelöst.

Insbesondere wird erfindungsgemäß Fluß- oder Seewasser tagsüber mittels Sonnenstrahlungsenergie erwärmt, in ein Reservoir eingeführt und darin zum Verdampfen gebracht, wobei der entstehende (Wasser-)Dampf aufgrund des atmo­ sphärischen oder Umgebungs-Temperaturunterschiedes zwischen Tag und Nacht wieder zu Wasser kondensiert und schließlich das Kondensat für die Wasserversorgung von Pflanzungen benutzt werden kann.

Mit der Erfindung werden somit ein Verfahren und eine An­ ordnung für die Bewässerung von Erdreich in Nutzflächen geschaffen, welche die Aufforstung und die Entwicklung von Landwirtschaft in Dürrezonen durch Zurückhaltung von Wasser im Erdreich von Trockenlandflächen ermöglichen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung für die Wasserversorgung bzw. Bewässerung von Erdreich,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausge­ stalteten Pflanzungssegments,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines ersten Versuchs zur Veranschaulichung des Einflusses des Abstands zwischen der Unterseite der Pflanzungs-Erdreich­ schicht und der Wasseroberfläche im Reservoir auf das Pflanzenwachstum,

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines zweiten Ver­ suchs zur Verdeutlichung des Einflusses der Kon­ zentration eines wasser(zurück)haltenden Gels in der Pflanzungs-Erdreichschicht auf das Pflanzen­ wachstum und

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines dritten Versuchs zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen dem Festphasenverhältnis des Pflanzungserdreichs und dem effektiven Wassergehalt.

Das erfindungsgemäße Bewässerungsverfahren (water supplying method) wird mittels der Anordnung gemäß Fig. 1 durchge­ führt. Diese Anordnung umfaßt einen Wassererwärmungsbe­ reich A mit einem Wassererwärmungs-Becken 13 als Warm­ wasservorrat und einen Bepflanzungs- oder Pflanzungsbe­ reich B. Diese beiden Bereiche können durch einen Wasser­ graben 14 miteinander verbunden sein.

Flußwasser, städtisches Abwasser, Untergrundwasser, See­ wasser o.dgl. wird in das Wassererwärmungs-Becken 13 ein­ geleitet und darin mittels natürlicher Wärmequellen, wie Sonnenstrahlung, erwärmt. Eine künstliche Beheizung ist ebenfalls denkbar.

Wahlweise kann die erfindungsgemäße Anordnung auch ohne zusätzliche Baumaßnahmen auskommen, da in vielen Fällen das auf natürlichem Wege in bereits bestehenden Speicher­ behältern (Zisternen) oder natürlichen Teichen erwärmte Wasser unmittelbar benutzt werden kann.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht der Pflanzungsbereich B aus einer Pflanzungs-Erd(reich)schicht 1 und einer Ver­ dunstungsschicht 2.

Die Pflanzungs-Erdschicht 1 erlaubt ein Pflanzenwachstum durch Verankerung der Pflanzenwurzeln und Versorgung der Pflanzen mit Dünger und Wasser. Die Zusammensetzung der Erdschicht variiert mit der Art der zu züchtenden Pflanzen. Der Erdschicht werden gelegentlich wasser(zurück)haltende Gele 3 o.dgl. zugemischt. Der Boden der Erdschicht ist so mit einer wasserzurückhaltenden (water retaining) Folie 4 o.dgl. unterlegt, daß diese die Erdschicht 1 trägt und ihr ein hohes Wasserhaltevermögen verleiht.

Weiterhin kann die Pflanzungs-Erdschicht 1 mit einer wasser­ durchlässigen porösen Platte oder Lage (board) 8 unter­ legt sein, die auch aus einem Maschen- oder Gittermaterial aus Stahl, rostfreiem Stahl oder Kunstharzpolymerisaten bzw. Kunststoff bestehen kann.

Die der Pflanzungs-Erdschicht 1 zuzumischenden wasser­ haltenden Gele 3 bestehen aus entsprechenden Kunstharz­ polymerisaten, die Wasser in einer Menge von bis zum 1000-fachen des Polymerisatgewichts zu absorbieren ver­ mögen. Derartige Polymerisate sind z.B. Vinylacetat-Acryl­ säure-Polymerisate, Stärke-Acrylsäure-Pfropfmischpoly­ merisate, Polyvinylalkohol-Maleinsäureanhydrid, Isobutyl- Maleinsäureanhydrid und Polyacrylsäuren.

Wie in den später folgenden Versuchen erläutert, liegen bevorzugte Mischungsverhältnisse der wasserhaltenden Gele im Bereich von 0,1-0,5% (w/w bzw. auf Gewichtsbasis); bevorzugte Festphasenverhältnisse des Erdreichs liegen bei 40-60%.

Die wasserzurückhaltende Folie 4 besteht z.B. aus Vliesen (nonwoven fabrics) mit an der Oberfläche haftenden wasser­ haltenden Gelen oder aus zusammengehefteten doppellagigen Vliesen mit zwischen den Lagen eingeschlossenen wasser­ haltenden Gelen.

Die poröse Platte oder Lage 8 kann z.B. aus hydraulischen Materialien, wie Zement, oder Sintermaterialien, wie Keramik, bestehen.

Die die Pflanzungs-Erdschicht 1 tragende Verdunstungs­ schicht 2 ist aus Naturstein 9 oder aus Betonformele­ menten 10 ausgebildet. Eine Basis 11 kann dabei mit Asphalt 7 o.dgl. belegt sein, um ein Versickern von Wasser zu ver­ hindern.

Der (die) zweckmäßige Abstand (Raumhöhe) zwischen der Wasseroberfläche im Reservoir bzw. Speicherbehälter 12 und der Unterseite der Pflanzungs-Erdschicht 1 muß in Ab­ hängigkeit von verschiedenen Bedingungen, wie Wasser­ temperaturdifferenz und Art der jeweiligen Pflanzen, sorg­ fältig festgelegt werden. Ein später beschriebener Versuch ergab vorteilhafte Abstände im Bereich von 10-200 mm.

Warmes Wasser, das durch tagsüber erfolgende Erwärmung des Wassers mittels natürlicher Strahlung oder mittels Heizeinrichtungen in z.B. dem Wassererwärmungs-Becken 13 im Wassererwärmungsbereich A gewonnen wird, wird am Abend in das Reservoir 12 eingeleitet. Darin verdunstet das warme Wasser, und der entstehende Dampf kondensiert zu Wasser in Form von Tautropfen aufgrund der drastischen Tempera­ turabnahme bei Nacht; das Kondensat erreicht schließlich das Pflanzungs-Erdreich, um diesem Wasser zuzuführen. Auf­ grund einer Kapillarwirkung dringt das Wasser unter voll­ ständiger Diffusion oder Verteilung in die Erdschicht 1 ein. Dieser Tag/Nacht-Zyklus wiederholt sich, so daß das Erdreich ständig mit Wasser versorgt wird.

Wahlweise kann eine Wasserumwälzung durch Umpumpen vor­ genommen werden, was vollautomatisch mit einer einfachen Einrichtung, wie einem durch die Temperaturänderungen zwi­ schen Tag und Nacht betätigbaren Thermostaten, gesteuert werden kann.

Wenn zudem die Wasserversorgungsanordnung auf einem sanft abfallenden Hang errichtet wird, wird der Wassererwär­ mungsbereich A hangaufwärts angeordnet, so daß das er­ wärmte Wasser mit natürlichem Gefälle über eine zwischen­ geschaltete Schleuse in das hangabwärts liegende Reservoir 12 des Pflanzungsbereichs B eingeleitet werden kann. Am Morgen des nächsten Tages kann das im Reservoir verbliebene, nicht verdunstete Wasser mittels des natürlichen Gefälles weiter hangabwärts abgelassen werden.

Die Verdunstung kann weiter dadurch begünstigt werden, daß in den Raum der Verdunstungsschicht 2 Luft zur Erhöhung der Kondensationsleistung eingeblasen wird.

Versuch 1

Dieser Versuch wurde durchgeführt zur Bestimmung des Ein­ flusses des Abstands zwischen der Wasseroberfläche im Reservoir und der Unterseite der Pflanzungs-Erdschicht auf das Wachstum der Pflanzen. Das Ergebnis ist in Fig. 3 veranschaulicht. Eine Relativbewertung (Optimalwert = 1) wurde mit Straußgras (bent grass) 56 Tage nach dem Pflanzen (oder der Aussaat) vorgenommen. Das günstigste Pflanzen­ wachstum wurde bei einem Abstand im Bereich von 200-500 mm beobachtet.

Bei einem Abstand von unter 10 mm konnten die Wurzeln der Pflanzen im Laufe des Wachstums das Wasser im Reservoir erreichen, wodurch das Pflanzenwachstum behindert wurde. Vorteilhaft wachsen die Pflanzenwurzeln aufgrund der be­ schleunigten Wasserabsorption oder -aufnahme sehr gut, weil die relative Luftfeuchtigkeit im Raum zwischen der Wasseroberfläche im Reservoir und dem Erdreich bzw. der Erdschicht außerordentlich hoch ist.

Bei einem Abstand (einer Höhe des Raums) von mehr als 500 mm nimmt andererseits der Taukondensationsgrad ab, wodurch das Wachstum der Pflanzen beeinträchtigt wird.

Versuch 2

Dieser Versuch wurde durchgeführt zur Bestimmung des Ein­ flusses der Konzentration der wasserhaltenden Gele in der Pflanzungs-Erdschicht auf das Pflanzenwachstum. Das Er­ gebnis ist in Fig. 4 veranschaulicht. Die untersuchten Pflanzen und die Bewertungsart waren dabei dieselben wie in Versuch 1. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird das optimale Wachstum mit einer Gelkonzentration im Bereich von 0,1-0,5% (w/w bzw. auf Gewichtsbasis) erzielt.

Bei zu großer Gelkonzentration war eine Verfestigung des Gels zu beobachten, die zu einer Hemmung der Verlängerung der Pflanzenwurzeln führte.

Versuch 3

Fig. 5 veranschaulicht den Einfluß des Festphasenverhält­ nisses (solid-phase ratio) des Pflanzungs-Erdreichs auf dessen effektiven Wassergehalt. Die angewandte Konzen­ tration an den wasserhaltenden Gelen betrug 0,1% (w/w). Gemäß Fig. 5 war der effektive Wassergehalt des Erdreichs bei Festphasenverhältnissen von 40-60% am größten; da­ bei betrug der effektive Wassergehalt des Erdreichs etwa 10%.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß mit der Erfindung eine zweckmäßige Bewässerungsanordnung zur Förderung des Pflanzenwuchses in Dürrezonen geschaffen wird. Damit werden die folgenden Wirkungen und Vorteile erzielt:

• 1) Das erfindungsgemäße Bewässerungsverfahren liefert nutzbares (salzfreies) Frischwasser aus (sonst) unbrauch­ barem Wasser in Dürrezonen ohne die Notwendigkeit für künstliche Energiequellen, weil dabei natürlich vorkommen­ des oder verfügbares Wasser mittels natürlicher Energie­ quellen, wie Sonnenstrahlung, erwärmt wird und die Kon­ densation infolge der natürlichen Temperaturdifferenz zwischen Tag und Nacht spontan auftritt.
• 2) Da verschiedene Wasservorräte, wie Seewasser, Fluß­ wasser oder Stadtabwasser, in der Nähe des Pflanzungsbe­ reichs zur Wasserversorgung für die Kondensation heran­ gezogen werden können, ist eine ausreichende Wasserver­ sorgung in großen Gebieten stets gewährleistet.
• 3) Mit Ausnahme einfacher Pumpen sind keine komplizierten Regelvorrichtungen oder -techniken für den Betrieb er­ forderlich, weil das für die Kondensation benötigte Wasser auf natürlichem Wege durch ständig strömendes Wasser von natürlichen Quellen oder Vorräten geliefert werden kann.

Da nämlich eine Änderung des Wasserstroms (Ableitung oder Zuleitung) nur dann erforderlich ist, wenn der Temperatur­ unterschied bestimmte Größen erreicht, sind einfache Regel­ vorrichtungen, wie Thermostate, anwendbar.

Wenn weiterhin die Anordnung auf einer Hangfläche ausge­ bildet wird, so daß das Wasser spontan stromab fließen kann, wird die Wasserströmung einfach durch Öffnen und Schließen von Wasserschleusen ohne jeden Energiebedarf geregelt.

• 4) Salzkonzentrationen, die sich im Erdreich während des Pflanzenwuchses oder danach ansammeln können, lassen sich durch Spülen bzw. Wegschwemmen leicht beseitigen, weil die erfindungsgemäße Anordnung einen offenen Raum unter der Pflanzungs-Erdschicht aufweist. Nach dem Spülen oder Wegschwemmen ist es dann einfach, die Nährstoffzusammen­ setzung der Erdreichschicht zur Modifizierung oder Ver­ besserung ihrer Beschaffenheit zu ändern.
• 5) Die Wasseraufnahme der Pflanzen ist äußerst wirkungs­ voll, weil die Umgebung der Verdunstungsschicht, in welche die wasseraufnehmenden Fadenwurzeln der Pflanzen im Laufe des Wachstums hineinreichen, mit Wasserdampf nahezu ge­ sättigt ist.
• 6) Die erfindungsgemäße Bewässerungsanordnung eignet sich besonders für die Entwicklung der Landwirtschaft oder die Aufforstung in Dürrezonen von sog. Entwicklungsländern, weil die Anordnung, wie beschrieben, ohne weiteres verfüg­ bares Wasser und natürliche Energie nutzt und keine kompli­ zierte Technologie oder Mechanik für Betrieb und Regelung benötigt.

Die erfindungsgemäße Anordnung nutzt vorteilhaft und wirk­ sam den Tag-Nacht-Temperaturunterschied von bis zu 20°C in diesen Ländern und z.B. natürliches Wasser oder Ab­ wasser, das in großer Menge zur Verfügung steht, aber stark salzig oder verunreinigt ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Bewässern von Erdreich in der Dürrezonen­ landwirtschaft, dadurch gekennzeichnet, daß warmes Wasser, das durch Erwärmen von Flußwasser, Stadtab­ wasser, Untergrundwasser oder Seewasser mittels Sonnen­ strahlung tagsüber oder mittels Heizeinrichtungen er­ halten wird, in ein unter einer Pflanzungs-Erd(reich)­ schicht in einem Pflanzungsbereich vorgesehenes Reservoir eingeleitet wird, in welchem das warme Wasser verdunstet, wobei der entstehende Wasserdampf aufgrund der Um­ gebungstemperaturänderung zwischen Tag und Nacht in Form von Tautropfen an der Unterseite der Pflanzungs- Erdschicht kondensiert, und das von der Pflanzungs- Erdschicht absorbierte und in diese eingedrungene Kon­ densat, d.h. Wasser, zur Förderung des Pflanzenwachstums genutzt wird.

2. Anordnung zum Bewässern von Erdreich in der Dürrezonen­ landwirtschaft, gekennzeichnet durch einen Erwärmungs­ bereich (A) zum Erwärmen von Flußwasser, Stadtabwasser, Untergrundwasser oder Seewasser auf natürlichem Wege mittels Sonnenstrahlung tagsüber oder auf künstlichem Wege mittels einer Heizeinrichtung, einen Wassergraben (14) zum Ein- oder Zuführen des warmen Wassers, ein(en) Reservoir oder Speicherbehälter (12), eine über letzterem angeordnete Pflanzungs-Erd(reich)schicht (1) und eine die letztere tragende Konstruktion (4, 8, 9, 10).