Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор уровня разработки теории и конструкции дождевальных машин 15
1.1. Анализ агроклиматических условий Южного и Северо-Кавказского федеральных округов 15
1.2. Способы орошения сельскохозяйственных культур 24
1.3. Анализ функциональных схем дождевальных машин и аппаратов 31
1.4 . Требования, предъявляемые к дождевальной технике 48
1.5. Исследования характеристик водопроводящей системы 52
1.6. Анализ исследований процессов распределения воды при орошении дождеванием 54
1.7. Цель и задачи исследований 60
2. Разработка вероятностных моделей и оптимизация процесса дождевания стационарными системами и машинами позиционного действия 63
2.1. Установление функциональной связи распределения воды при дождевании от параметров машин и случайных факторов 63
2.2. Разработка методики моделирования и оптимизации процесса дождевания струйными аппаратами при работе по кругу 73
2.3. Оптимизация расстояний между позициями среднеструйных аппаратов при АфВ 92
2.4. Моделирование и оптимизация процесса дождевания дальнеструйными аппаратами при работе по сектору и прямоугольном расположении позиций 96
2.5. Моделирование и оптимизация процесса дождевания дальнеструйными аппаратами при работе по сектору и шахматном расположении позиций 106
Выводы 109
3. Разработка методик вероятностного моделирования и оптимизации процессов дождевания машинами поступательного и вращательного движения 112
3.1. Моделирование и оптимизация распределения воды машинами поступательного движения с аппаратами
кругового действия 112
3.2. Моделирование и оптимизация распределения воды машинами поступательного движения с насадками секторного действия 117
3.3. Разработка методики моделирования и оптимизации распределения воды машинами вращательного движения 124
Выводы 135
4. Методы исследований и испытаний дождевальных машин и аппаратов 138
4.1. Стандартные методы испытаний аппаратов 138
4.2. Расчет показателей равномерности дождевания стационарными системами и машинами позиционного действия по результатам испытания аппарата радиальным методом 150
4.3. Расчет равномерности дождевания машиной непрерывного поступательного движения по результатам испытания аппарата радиальным методом 156
4.4. Расчет равномерности дождевания машиной непрерывного вращательного движения по результатам испытания аппарата радиальным методом 162
4.5. Методика экспериментального исследования насадок секторного действия 166
Выводы 179
5. Результаты экспериментальных исследований и методы повышения эффективности процесса дождевания 181
5.1. Распределение воды вращающимися аппаратами и секторными насадками по радиусам зоны дождевания 181
5.2. Распределение воды по секторам дефлекторными насадками дождевальных машин 188
5.3. Оптимизация размещения насадок на трубопроводе 193
5.4 Методы повышения эффективности процесса дождевания 198
5.5. Экономическая эффективность результатов научных исследований 209
Выводы 215
Заключение 218
Литература 222
- Требования, предъявляемые к дождевальной технике
- Моделирование и оптимизация процесса дождевания дальнеструйными аппаратами при работе по сектору и прямоугольном расположении позиций
- Моделирование и оптимизация распределения воды машинами поступательного движения с насадками секторного действия
- Расчет равномерности дождевания машиной непрерывного вращательного движения по результатам испытания аппарата радиальным методом
Требования, предъявляемые к дождевальной технике
Значительны различия по территории ЮФО в распределении атмосферных осадков и наличия водоёмов. Благодаря наличию влажных морских ветров наибольшее количество среднегодовых осадков до 1410 мм выпадает на черноморском побережье в районе г. Сочи. Проникновению влажных ветров с моря на север и в восточные районы ЮФО препятствуют Кавказский хребет и Ставропольская возвышенность, поэтому юговосточная часть ЮФО имеет наиболее засушливый климат. В Астраханской области и Республике Калмыкия количество осадков в год составляет от 170 до 250 мм. Следует отметить, что на характер климатических условий юговосточных районов ЮФО оказывают среднеазиатские суховеи, которые проникают из-за Каспийского моря. Для климата северных районов ЮФО характерно непостоянство увлажнения, так как количество осадков на их территории выпадает от 430 до 525 мм в год.
К водным ресурсам ЮФО относятся подземные воды, а также воды рек, впадающих в Чёрное, Азовское и Каспийское моря. В Краснодарском крае находится крупнейший бассейн подземных вод, в котором имеется значительные запасы минеральных и термальных вод. По территории региона протекают крупные реки Волга, Дон, Кубань, а также много других мелких рек. Несмотря на значительный уровень водных ресурсов из-за неравномерности их распределения, некоторые районы ЮФО испытывают недостаток влаги. Следует отметить то, что для ЮФО характерна интенсивность использования водных ресурсов в связи со значительным количеством потребителей воды, поэтому во многих районах, особенно в Республике Калмыкия, сложилась напряжённая обстановка с водой. В то же время непроизводительные её потери на сельскохозяйственных оросительных системах, главных потребителях воды, велики. Поэтому важнейшей хозяйственной задачей является повышение равномерности дождевания.
Почвы ЮФО классифицируются как высоко плодородные: больше половины земель округа занимают черноземы и аллювиальные. Каштано вые почвы, которые занимают значительную часть степных и предгорных районов, также отличаются хорошим плодородием и пригодны для выращивания практически всех сельскохозяйственных культур. В Республике Калмыкия много полупустынных районов, в которых залегают в основном бурые почвы с большим содержанием солонцов и солончаков.
Местные водные ресурсы округа составляют 53,3 км3 /год, приток из сопредельных территорий составляет 270 км3 /год, Значительная часть потребляемой воды используется на сельскохозяйственные нужды (55%).
В состав Северо-Кавказского федерального округа (СКФО), который был образован в результате разукрупнения ЮФО, входят республики Дагестан, Ингушетия, Карачаево-Черкессия, Северная Осетия-Алания, Кабардино-Балкария, Чеченская республика и Ставропольский край. СКФО расположен между ЮФО (на севере и западе), закавказскими странами (с юга) и на востоке граница проходит вдоль Каспийского моря. По Каспийскому морю СКФО граничит с Ираном, Турцией и азиатскими республиками.
Водоресурсный потенциал СКФО включает озеро «Голубые озера», Довсун, Кубанское водохранилище, Чегемские водопады, Каспийское море, а также большое количество рек: Ардон, Баксан, Большая Лаба, Зеленчук, Кубань, Сулак, Сунжа, Терек и др.
Гидрографическая сеть СКФО в основном представляет собой притоки рек Терека и Сулака. Поэтому водные ресурсы в различных районах СКФО представлены неравномерно. В большей степени водой обеспечены территории республик Ингушетия, Карачаево-Черкессия, Северная Осетия, Кабардино-Балкария. В степных и полупустынных районах Ставропольского края, Чеченской республики и Дагестана испытывается громадный дефицит наличия водных ресурсов любой формы.
На территории СКФО расположены более 300 водохранилищ, в которых в большинстве случаев предусмотрено сезонное или суточное регулирование уровня за счёт стока воды, который используется в основном для рыборазведения и орошения различных сельскохозяйственных угодий и массивов.
Регулирование уровня воды максимальное развитие получило в Ставропольском крае, где находится в эксплуатации почти 100 водохранилищ суммарной полезной ёмкостью 2,15 куб. километров. На границе Калмыкии и Ставропольского края расположено Чограйское водохранилище, которое предназначено для накопления воды, орошения, питьевого водоснабжения и других нужд. В Большой Ставропольский канал, который обеспечивает водой четыре гидроэлектростанции и города-курорты Северо-Кавказских Минеральных Вод, осуществляется забор воды из реки Кубань. Также на территории Ставропольского края расположены Невинномысский и Терско- Кумский каналы, источником воды которых являются реки Кубань и Терек.
В республиках Ингушетия, Кабардино-Балкария и Чечни, которые расположены в среднем и верхнем течении реки Терек, зарегулированность стока небольшая, так как полезная ёмкость водохранилищ составляет всего 12 млн. куб. м. Эти небольшие водохранилища предназначены только для орошения сельскохозяйственных земель.
Зарегулированность стока одиннадцати водохранилищ с суммарным полезным объёмом 1,44 млн. куб. м, расположенных на территории Республики Дагестан, также невелика. Большая доля его принадлежит водохранилищу Чиркейской гидроэлектростанции, расположенной на реке Сулак. Другие водохранилища, находящиеся тоже, в основном, в бассейне реки Сулак, используются для целей энергетики, водоснабжения или орошения сельскохозяйственных угодий.
Моделирование и оптимизация процесса дождевания дальнеструйными аппаратами при работе по сектору и прямоугольном расположении позиций
Широкое распространение в нашей стране и за рубежом получили поверхностный способ полива и дождевание.
При поверхностном поливе воду подают по полосам или бороздам, а также с помощью затопления всего орошаемого поля. Поверхностный самотёчный способ полива распространён в орошаемом земледелии с давних времён. Наиболее целесообразен такой полив при орошении большими нормами, когда за один приём количество расходуемой воды более 800...1000 м3/ га, а за весь сезон превышает 4000...5000 м3/ га. Этот способ рекомендуют применять на тяжёлых и легко заиливающихся почвах, на засолённых, требующих промывки участках, а также в районах, где бывают сильные ветры [135]. Однако поверхностное орошение имеет ряд весьма существенных недостатков [141]: неприменимость на неровных рельефах; необходимость в дорогих и трудоёмких работах по планировке и выравниванию орошаемых полей; опасность заболачивания; низкая производительность и тяжёлые условия труда при поливе; повышенные оросительные нормы, вызывающие непроизводительные потери оросительной воды.
При поливе дождеванием вода забирается из оросительного канала или закрытого трубопровода насосной установкой и подаётся по трубам к насадкам, из которых она выбрасывается в воздух, дробится на капли, размер которых должен быть не более 1...2 мм, и попадает на растения и почву в виде дождя. Для того чтобы капли дождя не повреждали растения (повреждение растений допускается не более 1%), меньше уплотняли почву, не разрушали почвенные комки, а вода успевала впитываться в почву, интенсивность дождя не должна превышать [135]: для тяжёлых почв - 0,1...0,2 мм/мин; для средних суглинков - 0,2...0,3 мм/мин; для лёгких почв - 0,5...0,8 мм/мин. Необходимо, так как это очень важно, распределять воду по орошаемому полю равномерно и обеспечивать заданную поливную норму. При дождевании почва должна быть увлажнена на глубину распространения основной массы корней орошаемой культуры, но не менее чем на 30 см [84]. При дождевании основное условие нормального протекания процесса состоит в том, чтобы интенсивность дождя не превышала скорости впитывания влаги (водопроницаемости почвы). При этом не образуются лужи, а, следовательно, отсутствуют непроизводительный расход воды, в том числе её сток, и связанная с ним водная эрозия почвы. При дождевании по сравнению с поверхностным поливом расход воды меньше, лучше сохраняется структура почвы. Этот способ не требует тщательной планировки полей и его можно применять на участках со сложным рельефом. При поливе дождеванием сокращаются затраты труда и улучшаются условия работы обслуживающего персонала. Одновременно с поливом вносят удобрения [6, 82, 98]. Однако на равномерность полива дождеванием большое влияние оказывает направление и скорость ветра, тип дождевальных насадок, их расположение на трубопроводе, вид движения машины.
При подпочвенном орошении вода подаётся в почву к корням растений по расположенным на глубине 40...50 см кротовинам или трубопроводам с отверстиями. В процессе подпочвенного орошения вода поступает в почву через дрены-увлажнители и перемещается в ней как вследствие гидравлического напора, так и под действием гравитационных, капиллярных и сорбционных сил. Контуры увлажнения могут быть различными в зависимости от свойств почв. При этом способе орошения постоянно поддерживается оптимальная влажность почвы, более экономно расходуется поливная вода: поливные и оросительные нормы могут быть снижены наполовину по сравнению с поверхностным способом полива и дождеванием [141]. При подпочвенном орошении не разрушается структура почвы, уменьшаются затраты на планировку полей и рыхление почвы, но оно сложно в техническом исполнении, не обеспечивает равномерности полива. Этот способ полива на песчаных и супесчаных почвах применять не рекомендуется.
Основное достоинство капельного орошения - значительная экономия оросительной воды при локальном увлажнении почвы. С помощью ка пельного орошения можно поливать крутые склоны, подавать вместе с оросительной водой удобрения и ядохимикаты. По сравнению с дождеванием меньше энергозатраты, отпадает необходимость в планировке земель. Капельное орошение рекомендуется применять в районах с ограниченными водными ресурсами, на землях со сложным рельефом, где затруднено или невозможно применение другой техники полива, на лёгких незасолённых почвах, при малой минерализации оросительной воды. Перспективные районы развития капельного орошения - Средняя Азия, Закавказье, юг Украины, Молдавия, прибрежные районы Каспийского и Чёрного морей. Капельное орошение предусматривает подачу воды непосредственно к растениям по трубам, из которых выпускают её каплями с небольшими перерывами или непрерывно. В результате этого обеспечивается существенная экономия воды. Капельное орошение широко применяется при поливе в садах, виноградниках и ягодниках, а также культур защищённого грунта. При такой технологии полива влага подаётся под каждое растение или на локальный участок поверхности поля в виде отдельных капель диаметром 1...2 мм. Применение капельного орошения особенно перспективно в районах с ограниченными водными ресурсами, а также на участках с изрезанным рельефом и крутыми склонами с большими перепадами высот.
Моделирование и оптимизация распределения воды машинами поступательного движения с насадками секторного действия
На площадку F каждый аппарат выдает четвёртую часть расхода, другие аппараты в дождевании площадки не участвуют. Модели для расчёта дозы дождевания получаются сравнительно простыми, оценка равномерности полива всего поля такая, как и зачётной площадки F. Однако, как показали расчёты, получить распределение односопловым аппаратом в пределах допусков не удаётся. При уменьшении расстояния между позициями (рисунок 2.8 б) зона дождевания аппарата выходит за пределы зачётной площадки. У первого аппарата появляются площадки F] и F, вода на которых дополняет полив смежных площадок, орошаемых с четвёртой и девятой позиций (рисунок 2.8 в). Точную оценку равномерности дождевания зачётной площадки в этом случае необходимо выполнять с учётом работы двенадцати аппаратов по рисунку 2.8 в.
Предварительную оценку можно выполнять по четырём аппаратам, но вычислять коэффициент полноты учёта K у, равный отношению суммы доз
на зачётной площадке к произведению расхода через один аппарат на время полива. Чем меньше единицы этот коэффициент, тем менее надёжна оценка равномерности.
Программа MD(A) [173] (приложение А), предназначена для вычисления дозы полива четырьмя односопловыми аппаратами, установленными в углах квадрата АхА, моделирует работу четырёх стационарных дождевальных аппаратов при расстоянии между позициями большем максимального радиуса зоны дождевания. Аппараты расположены в углах квадрата A х A . Дозы дождевания от четырёх аппаратов на зачётной площадке суммируются так, что количество воды, попадающей на неё равно расходу через один аппарат, умноженному на время дождевания.
Для работы программы используются числовые характеристики дальностей полёта капель: математическое ожидание Mр и среднее квадратическое отклонение (7р, полученные экспериментально. Кроме того, задаются следующие исходные данные: расход воды через аппарат Q, время дождевания T. Аргументом в программе является расстояние между аппаратами A, которое задается целым числом. Рекомендуется принимать расстояние между аппаратами больше максимального радиуса зоны дождевания. Программа считает дозу и при шаге установки аппаратов меньшем радиуса дождевания, но коэффициент полноты учёта при этом меньше единицы.
Программа делит площадь A х A на метровые квадраты и вычисляет дозу дождевания в центре каждого квадрата. Результат сохраняет в виде матрицы доз M . Количество элементов матрицы равно произведению A х A. Программа имеет два цикла. В первом изменяется координата Y метрового квадрата, во втором - координата Х.
В центре каждого квадрата вычисляет интенсивность дождевания от каждого из аппаратов, суммирует интенсивности, умножает результат на время дождевания, получает дозу полива (кг/м2) заполняет матрицу.
Данные матрицы показывают, что при А = 10 м распределение очень равномерное, хотя перекрытие большое. Программа Kv(A) (приложение Б) вычисляет по матрице доз коэффи циент вариации. Программа Ke(A) [176] (приложение В) вычисляет коэффициент эффективного полива по матрице доз. Программа Ke1(A) (приложение Г) предназначена для вычисления коэффициентов недостаточного, эффективного и избыточного полива
Программа Ke(A) - Расчёт эффективности дождевания одноструйными аппаратами при работе на четырёх позициях - моделирует работу четырёх стационарных дождевальных аппаратов при расстоянии между позициями, большем максимального радиуса зоны дождевания. Аппараты расположены в углах квадрата A х A. Дозы дождевания от четырёх аппаратов на зачётной площадке суммируются так, что количество воды, попадающей на неё, равно расходу через один аппарат, умноженному на время дождевания.
Для работы программы используются числовые характеристики дальностей полёта капель: математическое ожидание Мр и среднее квадратическое отклонение а , полученные экспериментально. Кроме того, задаются следующие исходные данные: расход воды через аппарат Q, время дождевания T. Аргументом в программе является расстояние между аппаратами А, которое задаётся целым числом. Рекомендуется принимать расстояние между аппаратами больше максимального радиуса зоны дождевания. Программа делит площадь A х A на метровые квадраты и вычисляет дозу дождевания в центре каждого квадрата. Результат сохраняет в виде матрицы доз Mi, j. Количество элементов матрицы равно произведению A х A.
Расчет равномерности дождевания машиной непрерывного вращательного движения по результатам испытания аппарата радиальным методом
При полнополевом методе проведения испытаний эффективный диаметр орошения определяют как среднее значение измерений, произведённых в четырёх направлениях, в которых установлены дождемеры (два ряда в каждом направлении), под углом девяносто градусов друг к другу.
Эффективный диаметр орошения при испытании радиальным методом получают, определив среднее значение четырёх измерений, которые делаются при размещении дождемеров вдоль четырёх радиусов, расположенных под углом девяносто градусов друг к другу, или при повороте дождевального аппарата на девяносто градусов относительно своей оси (применение одного радиуса допускается при проведении испытаний без ветра в закрытом помещении).
Измеряют эффективный радиус орошения. Отклонение значений эффективного диаметра орошения при его измерении не должно быть выше ±5%, установленного заводом-изготовителем.
Для дождевальных аппаратов с низким углом траектории полёта струи проводят испытания по определению её высоты.
Высоту траектории струи при работе дождевального аппарата определяют при установленном для проведения исследований давлении, а также минимальном и максимальном эффективном давлении рабочей жидкости. Высота траектории струи воды не должна превышать высоту, установленную заводом-изготовителем. Испытания в диапазоне эффективных давлений.
Перед проведением испытания выдерживают дождевальный аппарат в течение одного часа в воде при температуре 60 0С. После этого, дав дождевальному аппарату проработать в течение 10 мин при установленном для испытаний давлении, монтируют дождевальный аппарат на стояке в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя для работы в полевых условиях. Увеличивая от нуля до значения давления, при котором дождевальный аппарат начинает вращаться равномерно в одном направлении, вы держивают его при этом рабочем режиме в течение двух минут. Увеличивают постепенно давление до максимального эффективного давления Pmax и выдерживают дождевальный аппарат в течение одной минуты в данных условиях. Повторяют такие испытания дождевального аппарата при отклонении его на угол 100 от вертикального положения.
При испытаниях дождевальные аппараты должны согласованно вращаться в одном направлении в диапазоне от минимального до максимального эффективного давления. ГОСТ ИСО 7749-2-2004 устанавливает правила испытаний по определению равномерности орошения. Общие условия испытаний [42, 91, 119] Расположение испытательного участка. Участок для испытаний должен быть ровным (уклон должен быть менее 1%) и не иметь препятствий, которые могут препятствовать свободному распределению воды.
Для предотвращения изменения потока воздуха при проведении испытаний рядом с участком не должно быть деревьев или других препятствий. Участок для испытаний допускается располагать на защищённом извне пространстве и даже в защищённом (закрытом) помещении. Конструкция дождемеров. Все дождемеры для сбора воды и подачи в измерительное приспособление [12], при распылении её дождевальным аппаратом, должны иметь одинаковую форму и конструктивные размеры: - иметь в верхней части цилиндрическую форму более чем на одну треть всей высоты; - высота должна быть более двойной средней высоты воды, собираемой при испытаниях, но не менее 15 см; - диаметр дождемерного стаканчика должен составлять половину его высоты, но не менее 8,5 см; - наружные кромки приёмной части должны быть острыми, без видимых деформаций; - нижняя часть дождемерного стаканчика может быть в форме цилиндра или конуса (расширяющегося кверху) с углом 45 и более к горизонтали наклона боковых стенок. При испытаниях можно применять дождемеры иной конструкции при условии, что их погрешность измерения не ниже, чем у оговоренных выше.
Плоскость приёмных отверстий дождемерных стаканчиков должна располагаться параллельно земле с погрешностью не более ±5, а перепад высот рядом расположенных дождемеров не должен превышать 2 см.
Установка дождевального аппарата для испытаний.
Новым дождевальным аппаратам необходимо перед испытаниями обеспечить работу при установленном для нормальной работы давлении в течение одного часа.
Дождевальный аппарат устанавливают на вертикально закреплённом стояке, который при испытаниях не должен изгибаться или отклоняться, и подсоединяют к водоподводящему трубопроводу. Отклонение стояка от вертикального положения допускается не более 1.
Основные насадки дождевального аппарата должны располагаться относительно приёмных отверстий дождемеров на высоте, составляющей более десяти номинальных диаметров дождевального аппарата, но не менее 50 см.
Дождевальный аппарат, предназначенный заводом-изготовителем для различной высоты орошения, например выдвижной дождевальный аппарат, необходимо испытывать на высоте расположения основной насадки дождевального аппарата над приёмными отверстиями дождемеров, рекомендуемой для правильного использования.
