Введение к работе
Актуальность темы исследований. В последние годы дефицит водных ресурсов для орошения проявился во многих регионах страны, особенно остро -в южных регионах Российской Федерации. Крупнейшие инженерно-мелиоративные системы (ИМС) призваны своевременно подать воду к точкам водозабора, также, что упускают из виду многие исследователи, они обеспечивают жизнеспособность объектов гражданской инфраструктуры, что создает дополнительную эксплуатационную нагрузку.
Современное состояние мелиорированных земель и инженерно-мелиоративных систем свидетельствует о том, что основная тенденция ухудшения обстановки в отрасли будет продолжаться, если не будут приняты действенные меры по их стабилизации и устранению. Данные меры, с учетом реализуемой в стране программы импортозамещения, будут эффективными, если мелиоративный комплекс своевременно будет располагать высокотехнологичными отечественными разработками. Прежде всего, это касается сферы технических средств, позволяющих рационально использовать такой ценнейший ресурс, как вода.
Положение с обеспеченностью водными ресурсами для целей орошения в зоне недостаточного естественного увлажнения еще более усугубляется, в первую очередь, из-за отсутствия должной эксплуатации на объектах межхозяйственной и, особенно, внутрихозяйственной оросительной сети. По оперативным данным водохозяйственных служб, неплановый сброс воды даже из крупных межхозяйственных оросительных систем достигает 40 процентов водозабора, а коэффициент использования воды на поле составляет 60-70 процентов водопо-дачи, что ведет к нерациональному использованию водных ресурсов и ухудшению экологической обстановки прилегающих территорий.
За последние годы улучшилось экономическое положение сельскохозяйственных товаропроизводителей, увеличились материальные, финансовые и инновационные вложения, направленные на стабилизацию АПК страны.
В 2015 году рост производства в сельском хозяйстве составил 4 процента. В 2016-2017 гг. был собран рекордный урожай зерновых, что указывает на тенденцию к стабилизации сельскохозяйственного производства.
С 2014 года действует Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы», которая предусматривает строительство, реконструкцию и модернизацию мелиоративных систем на инновационной технологической основе повышения эффективности средств водоучета и водораспределения.
Для реализации этих мероприятий необходимо разработать комплекс на
учно обоснованных технологических и технических решений, обеспечивающих
повышение эффективности процесса водораспределения инженерно-
мелиоративных систем.
Научная гипотеза заключается в возможности установления оптимальных взаимосвязей между процессом водораспределения в открытых каналах и техническими средствами водораспределения и водоучета за счет повышения эффективно-
сти гидравлических и конструктивных параметров средств водоучета и водорас-пределения, которые обеспечат экономию водных ресурсов и повышение эффективности эксплуатации инженерно-мелиоративных систем.
Степень разработанности темы исследований. Повышению эффективности управления процессами водораспределения и водоучета посвящены работы Я.В. Бочкарёва, В.Н. Щедрина, В.И. Ольгаренко, М.С. Григорова, А.С. Овчинникова, И.Ф. Юрченко, И.В. Ольгаренко, Э.Э. Маковского, П.И. Коваленко, А.И. Михайленко, В. А. Большакова, В. А. Рожнова, Г. Б. Шенфельда, М. Ш. Марголина, А. Ф. Киенчука, Г.В. Дегтярева, Е.Е. Овчарова, В.Я. Бочка-рева, В.А. Волосухина, Ю.М. Косиченко и др.
В своих работах они затрагивают проблемы автоматизации межхозяйственного водораспределения, учета воды различными методами и способами, и здесь достигнуты определенные положительные результаты.
Проблемы водорегулирования и водоучета на внутрихозяйственной оросительной системе остаются не решенными из-за отсутствия технологически адаптированных технических средств для рационального использования оросительной воды и повышения эффективности эксплуатации инженерно-мелиоративных систем.
Совершенствованию способов орошения посвящены научные исследования И.П. Кружилина, Н.Н. Дубенка, В.Н. Щедрина, В.В. Бородычева, А.С. Овчинникова, С.М. Васильева, Л.В. Кирейчевой, И.Ф. Юрченко, Ю.И. Сухарева, К.В. Губера, М.Ю. Храброва, С.Я. Семененко, Е.П. Борового, Е.А. Ходякова, А.Д. Ахмедова, А.Е. Новикова, В.Ф. Лобойко, В.С. Бочарникова и др.
В своих работах они представляют новые технологии и средства полива при различных способах орошения: дождевании, внутрипочвенном поливе, капельном поливе. Проблема технического обеспечения поверхностного полива на сегодняшний день остается нерешенной, а этот способ относится к самым распространенным в мире. В нашей стране он остается невостребованным по ряду причин, в первую очередь, из-за отсутствия совершенных технических средств механизации и автоматизации водораспределения.
Цель исследований – повышение эффективности процесса водораспреде-ления в каналах внутрихозяйственных оросительных систем на основе теоретического и экспериментального обоснования применения технических средств водо-подачи и водоучета, обеспечивающих рациональное использование водных ресурсов.
Основные задачи исследований:
1. Обосновать целесообразность разработки и применения технически со
вершенных средств регулирования водоподачи и средств водоучета для эффек
тивного функционирования внутрихозяйственных оросительных систем с учетом
их особенностей.
-
Определить особенности технологического процесса на внутрихозяйственной оросительной системе как объекта управления для выбора необходимых средств регулирования водоподачи.
-
Предложить теоретическое решение по определению гидравлических и конструктивных параметров средств регулирования процесса водоподачи в каналах
внутрихозяйственной оросительной системы.
-
Разработать рациональные конструкции регуляторов уровня для управления процессом водоподачи в каналы орошения с учетом конструктивных особенностей гидротехнических сооружений.
-
Обосновать теоретически и экспериментально гидравлические и конструктивные параметры предлагаемых средств водоучета.
-
Обосновать теоретически и экспериментально гидравлические и конструктивные параметры мобильного поливного трубопровода.
-
Определить экономическую эффективность внедрения предлагаемых инновационных средств на оросительных системах.
Объект исследований – методология и методика, направления научных исследований и способы повышения эффективности водораспределения и во-доучета в практике эксплуатации инженерно-мелиоративных систем.
Предмет исследований – средства водоподачи и водоучета на открытых каналах оросительных систем Нижнего Поволжья.
Научная новизна исследований:
- дано теоретическое и экспериментальное обоснование повышения эффек
тивности использования средств гидравлической автоматизации для совершенст
вования процесса водораспределения в каналах внутрихозяйственных ороситель
ных систем с соблюдением баланса между водораспределением и водоподачей на
орошение;
предложена методика расчета процесса регулирования водоподачи в машинном канале-оросителе с учетом ограничений, связанных с емкостными свойствами объекта управления и временем транспортного запаздывания;
предложено теоретическое и экспериментальное обоснование к определению технических параметров средств регулирования водоподачи, разработаны их рациональные конструкции, с учетом особенностей гидротехнических сооружений на открытых внутрихозяйственных оросительных системах;
теоретически обоснованы и экспериментально установлены гидравлические и конструктивные параметры предлагаемых средств водоучета с учетом их апробации на каналах внутрихозяйственных оросительных систем;
впервые определены конструктивные параметры и гидравлические характеристики поливного трубопровода с гидравлической системой управления поливом.
Новизна предложенных технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение.
Теоретическая и практическая значимость работы характеризуется тем, что полученные и изложенные в диссертационном исследовании научные результаты открывают новые перспективы для эффективного водораспределения на каналах внутрихозяйственных оросительных систем в условиях дефицита водных ресурсов Нижнего Поволжья, а именно:
- организация водоподачи на оросительной системе с помощью разработан
ных средств гидравлической автоматизации обеспечивает водораспределение по
потребности согласно плану водопользования;
- использование предложенных средств гидравлической автоматизации по
зволяет сократить нетехнологические сбросы оросительной воды и достичь ее эко-
номии до 15-20 % при снижении затрат электроэнергии на насосных станциях до 10 %;
- создание систем водоучета на внутрихозяйственной части оросительных
систем с использованием предложенных технических средств позволяет осуществ
лять оперативный и достоверный контроль за расходованием оросительной воды с
погрешностью ±2,5 %;
- применение мобильного поливного трубопровода с гидравлической систе
мой управления поливом позволяет повысить коэффициент земельного использо
вания орошаемой площади на 5 % и увеличить производительность труда при по
ливах.
Разработанные теоретические положения, практические результаты и рекомендации могут быть применены для проектирования, реконструкции и модернизации оросительных систем, обеспечивающих воспроизводство природно– ресурсного потенциала.
Методология и методы исследований. В качестве методологической основы привлекались комплексные теоретические, экспериментальные, полевые, камеральные и натурные исследования эффективности водораспределения и водоучета в границах инженерно-мелиоративных систем Нижнего Поволжья, анализ и обобщение полученных данных, публикации и научные исследования отечественных и зарубежных ученых-мелиораторов.
При проведении исследований по обоснованию конструктивных и технологических параметров средств водораспределения, водоучета и систем мобильного поливного трубопровода поставленные задачи решались математическими методами планирования эксперимента, моделированием изучаемых процессов на ПЭВМ при помощи специализированных лицензионных программ. В теоретических, практических и лабораторных исследованиях использовались теория вероятности распределения случайных величин, теория надежности. Обработка результатов натурных исследований выполнялась методами математической статистики, в процессе исследований использовалось метрологически аттестованное оборудование, общепринятые методики, обеспечивающие достоверность полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
обоснование необходимости внедрения инновационных технических решений по совершенствованию водораспредения и водоучета на оросительных системах открытого типа для эффективного расходования водных ресурсов;
методика расчета гидравлических параметров потока в канале с водопо-требителем на орошении;
- усовершенствованные конструкции гидравлических регуляторов для авто
матизации водовыпускных сооружений на каналах внутрихозяйственных ороси
тельных систем, отличающиеся простотой и надежностью в работе за счет сочета
ния жестких и гибких элементов конструкции;
- усовершенствованные конструкции расходомеров, обладающих высокой
точностью измерения расхода за счет восприятия динамики потока по всему
створу наблюдения, теоретическое обоснование их работоспособности с оптими
зацией основных конструктивных параметров;
- конструкция усовершенствованной оросительной системы с мобильным поливным трубопроводом, оптимизация ее основных гидравлических и конструктивных параметров, обеспечивающих заданную поливную норму с минимальным ее отклонением и равномерность полива.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов исследований подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате многолетних лабораторно-полевых исследований; при сборе и обработке экспериментальных данных использованы государственные стандарты, общепринятые методики, современные компьютерные программы. Результаты исследований прошли производственную проверку и успешно внедрены в: ООО-МТ «Овощеводство» Ленинского района Волгоградской области, ФГБУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз», ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» г. Новочеркасск Ростовской области, ЗАО «Волговодпроект» г. Волгоград.
Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных научных и научно-практических конференциях в: ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ» (г. Волгоград, 1979-2017 гг.); ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (2007 г.); ФГБОУ ВО «Кубанский ГАУ» (г. Краснодар, 2008 г.); Национальной академии наук Беларуси (г. Минск, 2009 г.); ФГБНУ Всероссийский НИИ систем орошения и сельхозводоснабже-ния «Радуга» (г. Коломна, 2011 г.); ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» (г. Рязань, 2011 г.); ФГБНУ «Прикаспийский НИИ аридного земледелия» (с. Соленое Займище Астраханской области, 2011-2016 гг.); ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (г. Новосибирск, 2014 г.); ФГБОУ ВО «Московский государственный университет природообустрой-ства» (г. Москва, 2011-2013 гг.)
Выполненные по материалам диссертационных исследований разработки, дважды (2002, 2013 гг.) экспонировались на Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая осень», где были удостоены серебряной и золотой медалями.
Публикации результатов исследований. Научные результаты исследований по рассматриваемой проблеме опубликованы в 83 работах автора, включая 12 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 авторских свидетельства, 11 патентов на изобретения и полезные модели, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, монографию. Общий объем публикаций составляет 41,7 усл. п. л., из них лично автору принадлежит 19,1 усл. п. л.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 6 глав, выводы и рекомендации производству, список литературы, включающий 391 наименование, в том числе 3 на иностранных языках, 6 приложений. Основная часть работы изложена на 277 страницах компьютерного текста, содержит 132 рисунка и 30 таблиц.
Личный вклад в решение проблемы. Научные разработки, составляющие суть данной работы (научная гипотеза, формулирование цели и постановка задач исследований, выбор путей их теоретического и экспериментального ре-
шения, проведение экспериментальных и аналитических исследований, обработка и анализ полученных результатов, формирование выводов и предложений производству), выполнены лично автором.