Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1 Технология полива по бороздам 11
1.2 Средства механизации полива по бороздам 23
1.3 Выводы 38
2 Теоретическое обоснование параметров поливного трубопро вода с регулируемыми водовыпусками 40
2.1 Теоретические исследования гидродинамических процессов движения жидкости в трубопроводе 40
2.2 Исследование процесса взаимодействия потока жидкости с заслонками водовыпусков 46
2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы поливного трубопровода 61
2.4 Выводы 68
3 Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1 Программа исследований 69
3.2 Приборы, мерительный инструмент и комплектующие изделия 70
3.3 Методика планирования и проведения лабораторных исследований 72
3.3.1 Методика планирования лабораторных исследований 72
3.3.2 Методика проведения лабораторных исследований 77
3.4 Методика проведения полевых опытов 80
3.4.1 Условия проведения полевых опытов 80
3.4.2 Методика определения расходной характеристики 82
3.4.3 Методика определения размывающей способности потока 84
3.4.4 Методика проведения эксперимента по определению уплотняющего воздействия лыж-рессор 85
3.5 Методика математической обработки результатов эксперимента
4 Результаты экспериментальных исследований 90
4.1 Определение граничных значений факторов эксперимента и интервалов их варьирования 90
4.2 Оптимизация конструктивных параметров водовыпуска на основе лабораторных исследований 93
4.3 Определение расхода воды по водовыпускам 99
4.4 Определение размыва почвы в зоне водовыпусков 105
4.5 Влияние геометрии рессор на уплотнение почвы 108
4.6 Выводы по результатам экспериментальных исследований 113
5 Экономическая эффективность полива по бороздам с использованием поливного трубопровода 114
5.1 Общие положения и исходные данные 114
5.2 Расчет технико-экономических показателей 116
Общие выводы 120
Список литературы 122
Приложения 136
- Средства механизации полива по бороздам
- Исследование процесса взаимодействия потока жидкости с заслонками водовыпусков
- Методика планирования лабораторных исследований
- Оптимизация конструктивных параметров водовыпуска на основе лабораторных исследований
Средства механизации полива по бороздам
Самонапорные закрытые системы с выводом воды на поверхность через постоянные водовыпуски являются наиболее рациональными системами полива многолетних рядовых культур (плодовые, виноградники и др.) по бороздам [68].
Кроме того, их можно применять для полива по полосам и по затапливаемым бороздам, подавая воду в группу борозд. В этом случае на поливном закрытом трубопроводе через 2...3 м по осям рядов растений устраивают водовыпуски. Для полива по полосамфасстояние между водовыпусками может быть увеличено до 8... 10 м, но рабочие расходы водовыпусков будут достаточно большими, поэтому требуются специальные устройства для гашения напора и защиты от размыва мест излива.
Из рассматриваемых систем, с точки зрения автоматизации полива, особый интерес представляет система Московского государственного мелиоративного института (МГМИ) [69]; ныне Московский государственный университет природообустройства (МГУП).
Заложенная в землю труба имеет задвижки, разделяющие её на блефы (участки одновременного полива), и отверстия-насадки для выпуска воды немного выше поверхности земли в междурядья виноградника, сада или пропаш-ных культур. Такая труба выполняет роль как распределительного, так и поливного трубопровода одновременно. Особенностью гидравлического режима трубопровода является то, что при транзитном пропуске воды в трубе обеспечивается безнапорное её движение/Закрытие задвижки создает подпор и излив воды происходит только на длине до вышерасположенной задвижки. Автоматизированные поливные трубопроводы имеют разные конструкции, но они не были внедрены в массовое производство, а остановились на стадии испытания из-за высокой стоимости, сложности внедрения и низкой надежности систем [70; 71].
Широкое распространение получили лотковые оросители [69; 72]. Они имеют командную высоту над орошаемой площадью, удобны для установки регулируемых водовыпусков. Вопросами гидравлической автоматизации водораспределения между бороздами занимались Южгипроводхоз, ЮжНИИГиМ, Институт автоматики АНКиргССР, САИМЭ, ВНИИКАМ, СтавНИИГиМ и др.
Для полива по безуклонным бороздам предложен забор воды из стационарных распределительных лотков с помощью самозаряжающихся сифонов Во ВНИИМиТП разработаны конструкции лотков с постоянным уклоном дна. В днище лотка, нарасстоянии равном ширине междурядий, выполнены отверстия диаметром 40 мм, в которые вставляются4 полиэтиленовые трубки (ПНГТ-32 или ПНП- 40) длиной 6...7 м таким образом, чтобы их часть, находящаяся в лотке, имела высоту, равную глубине транзитного потока.
Результаты многолетних испытаний. и использования лотковой оросительной сети позволили сделать следующие выводы: - конструкции поливных лотков обеспечивают хорошую равномерность водораспределения по бороздам (отклонение от среднего расхода составляет ± 10%); - использование поливных лотков» значительно облегчает труд поливальщика, сокращает затраты труда на полив и повышает производительность труда в 3 раза за счет увеличения рабочего расхода, которым оперирует поливальщик; - поливные лотки, особенно каскадного типа; можно использовать не только на равнинах, но и на косогорном поле. Но большая стоимость установки лотковой сети и их ремонта, а также ограничение подвижности сельскохозяйственных машин и тракторов при возделывании культур снижает возможность их применения. Из шланговых машин поверхностного полива по бороздам наиболее усовершенствованной является поливальщик передвижной агрегатный универсальный ППА-165У (рис. 1.7), разработанный в Ташкентском ГСКБ по ирригации. Эта машина предназначена для проведения вегетационных, влагозарядко-вых и промывочных поливов во всех зонах орошаемого земледелия. ППА-165У состоит из насоса ОГ8-25, гибкого шланга из мелиоративной ткани длиной 300 м и диаметром 260 мм, барабана на который намотан гибкий шланг, механизма намотки, газоструйного вакуум-аппарата [75; 76].
При применении поливальщика ППА-165У отпадает необходимость в устройстве густой оросительной сети (расстояние между оросителями равно 600 м). Увеличивается коэффициент использования оросительной сети за счет отсутствия фильтрации сквозь стенки транспортирующего трубопровода. Машина может подавать воду из каналов, имеющих уровень воды ниже отметок орошаемого поля. Кроме того, создаваемый машиной относительно большой напор и расход обусловливают успешное применение более длинных трубо проводов (широкий фронт полива) с лучшей равномерностью распределения по бороздам, чем это достигается при самотечной подаче воды в поливные трубопроводы из каналов и лотков. Производительность труда повышается до 2 га в смену на одного рабочего. Машину обслуживают два человека - поливальщик и машинист.
В Европейской части страны поливальщик ППА-165У не нашел широкого применения из-за малой струи в борозду, она не превышает 2 л/мин. Кроме того трубопроводы недостаточно прочны и часто повреждаются при сборке. При значительном заилении шлангов удаление ила промывкой становится невозможным. Удаление плотного ила, отложившегося вгибких шлангах, требует применения значительного физического труда [77; 78; 79], а затраты на эксплуатацию трактора (ТСМ, ремонт, амортизация и др.) увеличивают стоимость полива.
Гибкие трубопроводы, уложенные поперек борозд, при наполнении водой перекатываются. Это ведет к изменению угла вылета струи из водовыпуска. Для устранения этого недостатка и уменьшения заиления, трубопроводы укладывают на ложе, устроенное окучником или другим орудием.
Исследование процесса взаимодействия потока жидкости с заслонками водовыпусков
Следующие особенности: поливы проводят периодически; запасььводы накапливаются: в верхних слоях почвы и расходуются в межполивные периоды; увлажняется только почва; возможность получения; различной глубины увлажнения; большие колебания влажности почвы в период между поливами;.
Все устройства для полива по бороздам (полосам) можно разделить на машины и механизмы, работающие стационарно, позиционно или в движении. Стационарный автоматизированный поливной трубопровод К устройствам стационарного действия относятся система Шарова-Шейнкина [58], автоматизированные низконапорные поливные трубопроводы (рис. 1.3) и лотковые оросители с ручной и автоматизированной раздачей воды (рис. 1.4). К устройствам позиционного действия относятся поливные машины ГША-165У, ТПУ-200, ТПУ-100, ШН-ЗООУ, автоматизированное шланговое устройство АШУ-4 (рис. 1.5) и поливной комплект ППК-25 конструкции ФГНУ ВНИИ «Радуга» (г. Коломна), а также простейшие переносные средства полива: водовыпуски, сифоны, трубки, переносные комплекты дискретного полива КДП-К [59; 60]. К устройствам полива в движении относятся дождевальная машина ДЦА-100МА, оборудованная специальными водовыпусками для поверхностного полива, колесный трубопровод ТКП-90 конструкции ФГНУ ВНИИ «Радуга» (рис. 1.6), самоходная поливная машина конструкции ВННИИГиМ, а также двухконсольные конструкции машин [61; 62]. Эти разработки широко использовались на Юге России, в республиках Средней Азии, Саратовской и Волгоградской областях, но имеют ряд недостатков [63; 64; 65; 66]. Система, предложенная И.А. Шаровым и Г.Ю. Шейнкиным, компонуется по продольной схеме. Участковые распределители выполнены в виде транспортирующих подземных трубопроводов диаметром 25...35 см. От попадания в систему излишних наносов и мелкого мусора в голове системы необходимы отстойники и сороулавливающие решетки. Поливные трубопроводы уложены в землю на глубину 25...30 см. По длине трубопровода через 60 см просверлены отверстия с переменным диамет ром. Благодаря напору вода из трубы через отверстия преодолевает фильтр и слой грунта в 20...25 см и в виде родников поступает в борозды, образуя ма ленькие воронки размыва. ...- _ Достоинства системы: - равномерность водораспределения лучше, чем при ручном поливе и поливе со шлангами; - очистка трубопровода от наносов проще; - производительность труда на поливе увеличивается в 2.. .3 раза; -коэффициент земельного использования (КЗИ) увеличивается на 4...5%. К недостаткам системы Шарова-Шейнкина можно отнести то, что она работоспособна только при напоре в распределительном трубопроводе не менее 1,5 м, поэтому может применяться на местности, где имеется достаточная командная высота источника воды над орошаемым полем. Кроме того, имеет следующие негативные отличия: - высокая стоимость устройства; - трудность подачи воды в борозду расходом более 0,5 л/с; - забивание водовыпускных отверстий, что требует необходимости в постоянном надзоре и ручной прочистке отверстий; - образование лунок у мест выхода воды на поверхность, что мешает работе машинно-тракторных агрегатов после полива. Все эти недостатки не позволили найти системе Шарова-Шейнкина широкого применения [67]. Самонапорные закрытые системы с выводом воды на поверхность через постоянные водовыпуски являются наиболее рациональными системами полива многолетних рядовых культур (плодовые, виноградники и др.) по бороздам [68]. Кроме того, их можно применять для полива по полосам и по затапливаемым бороздам, подавая воду в группу борозд. В этом случае на поливном закрытом трубопроводе через 2...3 м по осям рядов растений устраивают водовыпуски. Для полива по полосамфасстояние между водовыпусками может быть увеличено до 8... 10 м, но рабочие расходы водовыпусков будут достаточно большими, поэтому требуются специальные устройства для гашения напора и защиты от размыва мест излива.
Методика планирования лабораторных исследований
К недостаткам модифицированной дождевальной машины ДДА-100М относятся: большая громоздкость и металлоемкость, следовательно, и малая маневренность, низкая производительность (общий расход не превышает 200 л/с), трудность обеспечения движения рукавов-гасителей по рядкам (не обеспечивается нарезка временного оросителя параллельно бороздам), большой сброс поливной воды через неплотности между щитком-перемычкой и периметром живого сечения временного оросителя, расход воды из водовыпускных отверстий не регулируется, полив можно осуществлять только по бороздам продольного расположения.
В настоящее время сложившиеся в, стране экономические условия не позволяют большинству сельскохозяйственных предприятий организовывать на своей территории стационарные оросительные системы ввиду их высокой стоимости. Старые закрытые оросительные сети, в большинстве своём не выдерживают напора; создаваемого в сети. И, в связи с этим, в настоящее время4 получил распространение способ использования оросительных систем на базе применения быстросборного оросительного оборудования.[87].
Одним из способов сокращения потерь воды на фильтрацию, увеличивающий КПД-полива являетсяиспользование дляшолива по бороздам закрытой оросительной сети [88; 89]. При таких системах постоянные оросительные каналы на полях заменяются, подземными трубопроводами на глубине 40...60 сантиметров от поверхности почвы, а временные оросители - передвижными полиэтиленовыми шлангами [87],
Наличие таких комплектов в хозяйстве позволяет оперативно-решить вопрос орошения необходимого участка при значительной экономии средств на проектные и строительные работы. Появляется возможность переброски комплекта мобильной оросительной сети с одного полярна другое даже в поливной период, либо использовать на одном месте потребное число лет.
Мобильные оросительные системы в ряде случаев имеют преимущество перед стационарными. Применение их позволяет ускорить и упростить организацию орошения сельскохозяйственных1 культур, дает возможность сложный процесс строительства постоянных оросительных сооружений с дорогостоящими проектно-изыскательскими работами заменить сборкой на месте изготовленного на заводе комплекта оборудования, сократить капиталовложения в пересчете на гектар орошаемой площади. Устройство мобильных оросительных систем может осуществляться силами самих хозяйств при консультации специалистов. Кроме того, мобильная оросительная система не привязана к одному орошаемому участку и может перемещаться по орошаемым массивам в зависимости от фактической потребности в поливах [90; 91].
Современный уровень механизации поверхностного полива приближается к уровню механизации дождевания. Капитальные вложения на строительство систем поверхностного полива составляют 47...50%, эксплуатационные затраты на 70...85% ниже в сравнении с дождевальными, а ремонт в 7...8 раз дешевле. При этом коэффициент эффективного полива составляет 0,7...0,98, а удельная энергоемкость 48...265 кВт на 1000 м3 поданной воды. Новые механизированные технологии полива могут найти применение при орошении средних массивов и мелкоконтурных участков [92].
Во многих странах мира (США, Индия, Китай) используются для поверхностного полива различные конструкции наземных и подземных поливных трубопроводов, большинство из которых снабжены автоматическими датчиками контроля [93; 94; 95]. Однако использование стационарных и подземных трубопроводов с наличием стояков-водовыпусков и блоков управления поливом ухудшает условия беспрепятственной обработки почвы пропашных культур и увеличивает затраты труда и средств на строительство такого рода оросительной сети.
Отмеченные разработки внесли достойный вклад в развитие орошения. Однако они не всегда позволяют учитывать многообразие местных условий и, в ряде случаев, приводят к возникновению ирригационной эрозии. Особенно это имеет место на полях с уклонами, превышающими 0,01.
Основой для повышения эффективности орошаемого земледелия должны стать технологии и техника полива, которые позволяют в наиболее короткие сроки увеличить объемы производства продукции при минимизации капитальных вложений, затрат материально-технических, энергетических, трудовых ресурсов и возможности развития негативных экологических процессов. Значительные потери оросительной воды при поливе, неравномерность распределения поливной нормы, низкая производительность труда при проведении поверхностных поливов требует разработки новых средств полива, где управление обеспечивает один человек, с высоким КПД использования воды и коэффициентом земельного использования (КЗИ). В России более 70 % сельскохозяйственных угодий расположены в зонах недостаточного увлажнения. Как установлено, урожайность культур на поливных землях в 3...4, а в годы острых засух в 5... 10 раз выше, чем на неорошаемых. В результате -ценового "диспаритета в сельском хозяйстве практически прекратилось обновление парка дождевальной техники, площади мелиорируемых земель сократились по сравнению с 1990 годом в два раза. В тоже время на сегодняшний день во всем мире самым распространенным и дешевым способом полива.остается поверхностный полив. Поверхностный полив не требует создания большого напора в сети; техника для поверхностного полива, как правило, мобильна и может быть использована в разных отделениях хозяйства в разные сроки вегетации культур. Причины, сдерживающие широкое использование поверхностного полива в РФ - это низкая механизация; низкая, производительность, потери воды на фильтрацию, не обеспечивается равномерность полива.
Оптимизация конструктивных параметров водовыпуска на основе лабораторных исследований
Определение равномерности подачи воды в борозды по длине трубопровода предусматривало определение расхода воды по водовыпускам. Для этого проведен эксперимент, в ходе которого определили количество вылитой воды за единицу времени в шести местах трубопровода.
В разделе 2 аналитически определен напор воды на гидранте и площадь верхней части заслонки. Экспериментально установлено, что при увеличении напора на гидранте происходило уменьшение расхода начальных водовыпус-ков, а на последующих увеличение. Данная закономерность связана с избыточным давлением жидкости на верхние части заслонок начальных водовыпусков. Аналогичная картина происходила при увеличении размера (площади) верхней части заслонки, сохраняя прежний напор.
При проведении полевых наблюдений работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками максимальная пропускная способность гидранта закрытой оросительной сети составила 210 л/с. При поливе культур с междурядьем 70 см трубопровод обеспечивает расход в борозду до 2,0 - 3,0 л/с, при поливе культур с междурядьем 45 см -. до 1,4... 1,5 л/с. Полив кукурузы проводили по бороздам, нарезанным по поперечной схеме - поперек расположения поливного трубопровода и линии гидрантов. Так как при поперечной схеме расположения оросителей исключается работа по поделке и заравниванию выводных борозд, увеличиваются КПД временной оросительной сети поливного участка и коэффициент земельного использования. По результатам испытаний построен график зависимости среднего расхода воды по водовыпускам от общего расхода в поливном трубопроводе при продольном уклоне і=0,001 (рис. 4.5). График (рис. 4.5) позволяет определить потребный общий расход воды при изменении заданного по агротехническим требованиям расхода воды в борозды. При назначении поливной нормы одним из критериев является продольный и поперечный уклон поля. Рекомендуемый оптимальный уклон временных оросителей составляет 0,001.. .0,005 [53], поэтому потери напора определяли для крайних значений рекомендованного уклона. Потери напора по длине поливного трубопровода увеличиваются по мере уменьшения уклона, что необходимо учитывать при назначении напора воды на гидранте. Полевые испытания позволили построить график потерь напора воды по длине трубопровода (рис. 4.6), построена аппроксимирующая кривая, которая описывается уравнением: у = -1,192х + 7,02. Проверка адекватности теоретических и экспериментальных значений потерь напора показывает, что уравнение достаточно точно описывает полученные экспериментальные данные. Среднее относительное отклонение расчетных значений от экспериментальных составляет 5 %.
Одной из задач оптимизации процесса полива является обеспечение одинакового расхода воды по водовыпускам по длине трубопровода. Испытания проводили при расходе воды через водовыпускные отверстия и с использованием саморегулирующих водовыпусков при общем расходе воды 100; 140; 180 л/с при уклоне 0,001 и 0,005.
На основании теоретических расчетов обоснованы конструктивные параметры водовыпусков для поливного трубопровода диаметром 30 мм, оснащенных поворотными заслонками желобчатой формы, верхняя часть которых, площадью 7,54-10" м , расположена в полости трубопровода, а нижняя, площадью 5,77-10 3 м2, размещена в трубке водовыпуска и проведены полевые наблюдения за их работой. На рисунке 4.7 представлена расходная характеристика поливного трубопровода.
Похожие диссертации на Обоснование параметров и режимов работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками
