Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследований полива по бороздам и способов борьбы с потерями из оросительной сети 9
1.1. Применение и особенности полива по бороздам 9
1.2. Аналитический обзор существующих технологий полива по бороздам 16
1.3. Условия работы поливных борозд при поверхностном поливе 24
1.4. Факторы, влияющие на потери воды при поливе по бороздам 27
2. Обоснование способа полива по бороздам с пленочным перфорированным покрытием 30
2.1. Обоснование целесообразности применения пленочного перфорированного покрытия поливных борозд 30
2.2. Описание способа полива по бороздам с пленочным перфорированным покрытием 33
2.3. Расчет подачи воды при поливе по бороздам с пленочным перфорированным покрытием 37
2.4. Технология механизированного устройства борозд с пленочным перфорированным покрытием 42
Выводы по главе 48
3. Экспериментальные исследования пленочного перфорированного покрытия поливных борозд 50
3.1. Методика экспериментальных исследований. Условия проведения опытов в лотке 50
3.2. Результаты исследований инфильтрации из поливной борозды с пленочным перфорированным покрытием 53
3.3. Исследования контуров увлажнения под пленочным покрытием борозды 60
3.4. Применение планирования эксперимента к исследованиям процесса впитывания при поливе по бороздам с пленочным перфорированным покрытием 64
Выводы по главе 72
4. Теоретические исследования поливных борозд с пленочным перфорированным покрытием и определение оросительной нормы 73
4.1. Теоретическое обоснование расчетных схем процесса впиты вания в поливных бороздах 73
4.2, Теория водопроницаемости пленочного перфорированного покрытия борозды 81
4.3. Определение оросительной нормы при поливе по бороздам. 88
Выводы по главе 98
5. Полевые исследования полива по обычным бороздам и с пленочным перфорированным покрытием 99
5.1. Характеристика опытного участка, содержание и методология полевых исследований 99
5.2. Методика полевых исследований 104
5.3. Определение контуров промачивания в зависимости от поливной нормы 111
5.4. Результаты полевых исследований при поливе по обычным бороздам и с пленочным перфорированным экраном 121
5.5. Расчет экономической эффективности от применения способа орошения по бороздам с пленочным перфорированным покрытием 142
Выводы по главе 146
Общие выводы 147
Список литературы 150
Приложения 161
- Аналитический обзор существующих технологий полива по бороздам
- Описание способа полива по бороздам с пленочным перфорированным покрытием
- Результаты исследований инфильтрации из поливной борозды с пленочным перфорированным покрытием
- Теория водопроницаемости пленочного перфорированного покрытия борозды
Введение к работе
Актуальность работы. Мелиорация является одной из важных отраслей сельскохозяйственного производства и направлена на коренное улучшение земель для повышения урожаев сельскохозяйственных культур. Развитие сельскохозяйственных мелиорации не только позволяет сохранить земли в составе севооборота, но и открывает пути дальнейшего увеличения производства продукции земледелия.
В современных условиях основным направлением в области мелиорации является реконструкция существующих оросительных систем. Практика показывает, что в хорошем мелиоративном состоянии находится около 63,4 % земель, что составляет 3,3 млн. га, а в неудовлетворительном и плохом состоянии более 15 % орошаемых земель в России. Эти цифры говорят о том, что существующие технологии орошения, техника полива и средства их механизации еще далеки от совершенства и не отвечают современным требованиям мелиоративного производства. Орошаемые земли страдают из-за того, что не соблюдаются режимы орошения сельскохозяйственных культур, поливные нормы, а это приводит к увеличению потерь воды, в том числе и на фильтрацию и, следовательно, к подъему уровня грунтовых вод. Вопросами исследования техники полива занимались наши отечественные ученые: А.Н. Костяков, В.И. Ольгаренко, А.И.
Голованов, С.А. Гиршкан, А..Г.Алимов, Ю.П.Поляков, А.А.Бурдун и др.
Исследованиями совершенствования различных вопросов техники полива
по бороздам на различных по механическому составу почвогрунтов занимались А.Н. Костяков, Б.А. Шумаков, Б.Б. Шумаков, И.П. Кружилин, М.С. Григо-ров, В.Н. Щедрин, В.И. Ольгаренко, Ю.П. Поляков, А.А. Бурдун, Н.Д. Креме-нецкий, Д.А. Штоколов, В.А. Сурин, А.Н. Ляпин, И.А. Чуприн, СМ. Кривовяз, П.И. Скупченко и др.
По результатам многочисленных исследований установлено, что потери оросительной воды достигают 40-60 % водоподачи, и это во многом зависит от техники полива, способа орошения. Так как хозяйства в настоящее время не
5 имеют достаточного количества поливной техники, поэтому большое внимание
уделяется поверхностным способам орошения, в том числе поливу по бороз-
*
дам. При этом способе орошения почва увлажняется за счет подачи воды на ее поверхность, где впитывание происходит по всему периметру борозды. Чтобы исключить случаи непроизводительных потерь, необходимо строго соблюдать основные требования, направленные на минимизацию потерь поливной воды, особенно в начальный период заполнения борозд водой.
В соответствии с этим требуется разработка научно обоснованного спо-
соба полива сельскохозяйственных культур по бороздам с применением новой
технологии и современных технических средств. На тяжелосуглинистых сла
боводопроницаемых почвах при поливе поверхностным способом культур, у
которых небольшие поливные нормы, выдать их практически невозможно при
длине борозды 200-300 метров . Необходимо разработать такой способ полива
по длинным проточным бороздам, при котором можно выдать поливные нормы
# 300-400 м /га, достигая сравнительного равномерного увлажнения и высокой
производительности труда. Разработка способа полива по проточным бороздам с применением пленочного перфорированного покрытия, позволит решить этот вопрос и поэтому является весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка способа полива по
+
бороздам с применением пленочного перфорированного покрытия на слабоводопроницаемых почвах (тяжелых), почвах обеспечивающих равномерное увлажнение при высокой производительности труда и экономии водных ресурсов. Для достижения поставленной цели решались следующие вопросы:
Исследования впитывания через пленочные перфорированные покрытия на физических моделях в лабораторных условиях.
Теоретические исследования водопроницаемости пленочных покрытий борозды.
Полевые исследования контуров промачивания обычной борозды и с перфорированным пленочным покрытием.
Разработка и исследования устройства для раскладки пленочного перфорированного покрытия на борозду.
Оценка экономической эффективности способа полива по бороздам с пленочным перфорированным покрытием,
На защиту выносятся:
способ полива по бороздам с применением пленочного перфорированного покрытия;
технология раскладки полотнищ пленки на поливные борозды с помощью механизированного устройства комбинированного типа;
основные параметры перфорации пленочного покрытия;
показатели процесса впитывания для различных стадий работы поливных борозд и теоретические зависимости для расчета водопроницаемости пленочного перфорированного покрытия;
сравнительные качественные и количественные оценки разработанного способа полива;
Научная новизна состоит в том, что:
дана математическая зависимость для определения расхода в борозду в зависимости от диаметра и степени перфорации;
получены множественные математические зависимости связи количества отверстий, диаметра, степени перфорации в зависимости от глубины воды в борозде и расхода;
разработана методика расчета расхода воды в поливные борозды с перфорированным покрытием;
дано экспериментальное и теоретическое обоснование основных параметров пленочного перфорированного покрытия;
— получены эмпирические и теоретические зависимости для расчета во
допроницаемости пленочных перфорированных покрытий применительно к ос
новным расчетным схемам;
- показана экономическая эффективность применения пленочного по
крытия.
Практическая ценность. Проведенные теоретические и лабораторные исследования и полученные математические зависимости позволили обосновать основные параметры пленочного покрытия, позволяющие выдать расчетные поливные нормы на слабоводопроницаемых почвах при оптимальной перфорации. Получено положительное решение по заявке на патент №2004107213/12(007597) от 10.03.2004 г.
Разработанный способ полива с пленочным перфорированным покрытием рекомендуется при проектировании строительства и реконструкции оросительных систем, а также при орошении сельскохозяйственных культур (преимущественно овощных), сельскими товаропроизводителями для степной зоны России. Даны рекомендации по применению пленочного перфорированного покрытия.
Апробация работы. Результаты исследований по данной теме многократно докладывались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Новочеркасской государственной мелиоративной академии: "Проблемы мелиорации в Ростовской области" (20-22 апреля), (г. Новочеркасск, 1995 г.), конференции "Экологические проблемы орошаемого земледелия нижнего Дона" (г. Новочеркасск, 1995 г.), на Всероссийской научно-практической конференции "Кадры и научно-технический прогресс в мелиорации" (г. Новочеркасск, 25-27 сентября 1997 г.), на межвузовской научно-практической конференции НГМА "Проблемы гидрологии, гидротехники и орошаемого земледелия" (г. Новочеркасск, 2002 г.), на межвузовской научно-
8 практической конференции НГМА, посвященной 70-летию со дня рождения
академика ВАСХНИЛ (РАСХН) Б.Б. Шумакова (г. Новочеркасск, 2003 г.).
Разработанная технология полива по бороздам с применением пленочного перфорированного покрытия внедрена в Багаевском филиале Федерального государственного управления "Росводмелиоводхоз" (совхоз "Федуловский'1), в опытном хозяйстве Ростовской областной опытно-мелиоративной станции (РООМС), а также при составлении рабочего проекта реконструкции ОС в ОПХ "Лиманекое" Семикаракорского района Ростовской области.
Основные результаты исследований опубликованы в 11 работах.
Аналитический обзор существующих технологий полива по бороздам
Для эффективного использования оросительной воды на орошаемых землях вопросы выбора того или иного способа полива имеют немаловажное значение. Правильный выбор техники полива должен обеспечить следующие требования [16, 17,21,34,51,54]: - своевременную подачу оросительной воды с установленным расходом; - равномерное распределение воды на орошаемых полях; - исключить случаи затопления полей, которые приводят к негативным последствиям; - поддерживать агротехнические требования, обеспечивающие плодородие почвы, а, следовательно, получение высоких урожаев; - обеспечить применение средств механизации на орошаемых полях с целью повышения производительности труда при поливе; - исключить случаи непроизводительных потерь оросительной воды; - обеспечить на орошаемой площади необходимую влажность почвы; - выбор техники полива должен предусматривать минимальные затраты труда, наименьший расход оросительной воды. Все эти меры должны предусматривать увеличение коэффициента полезного действия использования воды до 95 % [51, 107]. При выборе техники полива необходимо учитывать климатические, почвенные, топографические и гидрогеологические условия тех хозяйств, в которых производится лолив. Различают несколько видов техники орошения. Это зависит от напора и расхода воды на орошаемых участках, В таблице 4 приведены способы полива по распределению воды на орошаемые поля при поверхностном способе орошения [51, 107]. При поверхностном орошении распределение воды по поверхности подразделяют на две группы [51, 107]: 1) поливная вода распределяется по поверхности поля сплошным слоем и заполняет поры почвы вертикально, т.е. за счет гравитации; 2) поливная вода движется по бороздам и впитывание в почву происходит за счет смачивания всего периметра борозды, то есть капиллярным путем.
В настоящее время все большее применение находит полив по бороздам с боковым поглощением воды: полив по проточным бороздам, полив по бороздам-терраскам, полив по тупым бороздам, полив по бороздам-щелям. Наиболее распространенным способом является полив по проточным бороздам, который применяется при орошении пропашных культур, садов и виноградников. Уклон при этом рекомендуется от 0,0005 до 0,05 [34, 74, 107]. Проточные борозды классифицируют на мелкие, глубина которых 8-14 см, средние - 14-20 см и глубокие - 20-25 см. Ширина по верху у мелких борозд составляет 25-35 см, у средних - 35-50 см и у глубоких - 50-60 см [97, 106]. Полив по мелким бороздам является малопроизводительным, а поэтому применяется для полива лишь мелкополивных культур, таких как лук, морковь. Длина таких борозд рекомендуется от 80 до 120 м [109, 106]. Наибольшее распространение получили средние борозды, которые применяются при орошении пропашных культур, таких как хлопок, кукуруза, свекла [109, 106]. Недостатком этих борозд служит невысокая пропускная способность. Поэтому и длина их также ограничена до 250 м [29, 51, 52, 106]. Полив по глубоким бороздам применяется при орошении пропашных культур (хлопок, свекла) и овощей. При этом временные оросители имеют уклон, равный 0,001-0,002. Глубина борозд - 20-25 см, а ширина 40-45 см. Борозды выполняют параллельно оросителю вдоль всей длины [51, 106, 109], Достоинством глубоких борозд можно считать их большую пропускную способность, а к недостаткам относится необходимость увеличивать междурядья [106, 109]. В проточные борозды вода подается из выводных борозд или из временных оросителей, если они расположены перпендикулярно. При движении воды по борозде происходит процесс увлажнения почвы в основном капиллярным путем, что способствует аэрации и созданию хорошего микробиологического режима почвы.
Этот способ применим как для пропашных, так и непропашных культур (зерновые, травы люцерны, суданка и т.д.). При этом рекомендуется уклон борозд от 0,003 до 0,008. Длина борозд рекомендуется от 60 до 300 м [51]. Ширина борозд зависит от уклона, глубины воды, водопроницаемости почвы и может приниматься 25-35 см [51,97]. Немаловажное значение имеет увлажнение почвы, которое зависит от водно-физических свойств почв, слагающих ложе борозды. Увлажнение почвы во многом зависит от контуров увлажнения, которые зависят от расстояния между осями борозд, от способа посева сельскохозяйственных культур, свойств почв и продолжительности полива. Необходимым и достаточным условием является то, чтобы контуры капиллярного увлажнения смыкались в межосевом пространстве, что будет обеспечивать влагоемкость в прикорневом пространстве растений. Поэтому рекомендуется устанавливать расстояние между осями борозд 40-70 см, а глубину бо- розд - 12-22 см [51, 97]. Их наполнение должно быть в пределах 1/3-1/4 от глубины. Это исключает переполнение водой борозд, что может привести к их размыву, а также способствует сохранению структуры почвы, обеспечивающей водно-воздушный и питательный режимы, так как откосы борозд остаются в разрыхленном состоянии за счет капиллярного распространения влаги [34, 51, 52].
Описание способа полива по бороздам с пленочным перфорированным покрытием
Для совершенствования техники полива по бороздам автором предложен новый способ полива с применением пленочных перфорированных покрытий. Положительное решение по заявке на патент № 2004107213/12 (007597) от 10.03.04 г. Суть способа заключается в укладке пленочного покрытия со специально подобранной перфорацией на предварительно выполненную борозду с закреплением краев покрытия по всей длине борозды. Схемы борозды с пленочными покрытиями приведены на рисунке 3. Укладка пленочного полотнища шириной 0,7-1,0 м осуществляется непосредственно на поверхность борозды секциями с нахлестом. Закрепление краев пленочного покрытия может выполняться путем присыпки их грунтом или прикалыванием металлическими шпильками через 3-5 м до начала пуска воды в борозду. После первого впитывания пленка хорошо прилегает по всему периметру и приколки удаляются. При поливе по борозде с таким покрытием происходит просачивание воды через отверстия перфорации с равномерным смачиванием всей поверхности борозды и постепенной боковой и глубинной инфильтрацией воды с образованием контура увлажнения. После завершения полива пленочное покрытие препятствует испарению с увлажненной поверхности борозды. При этом практически полностью исключается образование трещин усыхания по поверхности борозды. Контуры увлажнения с необходимым содержанием влаги для развития корневой системы сельскохозяйственных растений сохраняются значительно дольше, чем при поливе по бороздам без пленочного покрытия.
В конце поливного сезона края пленочного покрытия открепляются, а полотнища сворачиваются в рулоны для удобства транспортировки и хранения. Основными преимуществами нового способа полива являются: - снижение расхода воды на испарение с поверхности борозд и глубинную инфильтрацию (до 30-50 %); - создание более благоприятных условий для развития растений за счет улучшения равномерности увлажнения корнеобитаемого слоя почвы, выдачи расчетной поливной нормы по всей длине борозды; - обеспечение равномерного распределения просачивающейся воды через отверстия перфорации; - повышение пропускной способности поливных борозд с пленочным покрытием за счет снижения коэффициента шероховатости таких русел до значений п = 0,025-0,030 (против п = 0,040-0,05 для поливных борозд без покрытий); - снижение частоты и количества поливов сельскохозяйственных культур за оросительный сезон; - предупреждение подъема уровня грунтовых вод из-за отсутствия гравитационной фильтрации вследствие более жесткого регулирования нормы полива. Для пленочного покрытия наиболее целесообразно применение полиэтиленовой пленки (ГОСТ 10354-82), стабилизированной сажей толщиной 0,2 мм, которая применяется для мелиоративного и водохозяйственного строительства.
Такая пленка отличается большей прочностью и долговечностью по отношению к нестабилизированной. Покрытия из данной пленки могут использоваться многократно до 5-7 сезонов. По своим качествам она удовлетворяет марке "В", обладает достаточной прочностью, необходимой стойкостью к ультрафиолетовому излучению и повышенным температурам. Имеет значительную деформативную способность. Основные данные, характеризующие применяемое полиэтиленовое покрытие, приведены в таблице 6. Параметры перфорации пленочного покрытия рекомендованы в диапазоне 0,1-1,0 %. По бороздам поливаются в основном пропашные культуры, к которым относят кукурузу, подсолнечник, свеклу, овощи и другие. С применением бороздного полива орошаются различные кустарники, сады и виноградники. При поливе применяют различные типы борозд, которые классифицируются в зависимости от их назначения, а их параметры зависят от многих факторов. В своих исследованиях мы использовали тупиковые борозды, так как именно они максимально соответствуют технологии полива с применением перфорированного пленочного покрытия. Применение полива по бороздам с укладкой перфорированной полиэтиленовой пленки не требует изменения существующей технологии подачи воды из выводных борозд или же непосредственно из временных оросителей. Схема расположения поливных борозд и выводных борозд по отношению к временному оросителю остается та же. Этот способ полива направлен на то, чтобы улучшить аэрацию, а, следовательно, структуру почвы и микробиологический режим ложа борозды в целом. Основными параметрами, обеспечивающими наилучшее использование оросительной воды при поливе по бороздам, являются: длина борозды; уклон дна; проницаемость почвы; ширина борозд по верху; глубина борозд; расстояние между осями борозд и схема контуров увлажнения. Используя методику расчета, изложенную выше в п. 2, можно определять скорость течения воды по длине борозды, поливную норму нетто и продолжительность полива. При применении этого способа полива по бороздам появляются некоторые преимущества при совершенствовании схемы полива. Поливная норма может быть использована в полном расчетном объеме без переполива сельхозкультур и замокання на отдельных участках.
Результаты исследований инфильтрации из поливной борозды с пленочным перфорированным покрытием
В соответствии с ранее изложенной методикой исследований, были проведены опыты по изучению процесса инфильтрации из поливной борозды с пленочным перфорированным покрытием на фильтрационном лотке. В задачу лабораторных исследований входило следующее: 1. Установление закономерностей образования контуров промачивания вокруг борозды и их положение для определения межбороздкового расстояния. 2. Разработка математической модели для установления зависимости рас хода воды от степени перфорации. Опыты проводились для различной степени перфорации пленочного покрытия П: 0,1; 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 % при диаметрах отверстий перфорации d\ 5, 7, 10 мм. Глубина воды в борозде поддерживалась постоянной Ау = 0,15 м. В процессе проведения опытов фиксировались: температура воды, расход воды при инфильтрации из борозды, время промачивания и глубина промачивания почвы под бороздой. Результаты опытов приведены в таблице 8. Опыты проводились в трехкратной повторное, а затем обрабатывались на компьютере с применением стандартных программ.
Результаты обработки приведены в таблицах 9-11. Получены уравнения регрессии для исследуемых диаметров, которые характеризуют изменение расхода воды при инфильтрации из борозды от диаметра отверстий и их количества, которые приведены ниже. По полученным уравнениям регрессии (3.5)-(3.7) рассчитаны расходы инфильтрации из борозды (q, л/мин.) для различных значений перфорации (77, %) и диаметров отверстий (d, мм) (см. таблицу 10). Для оценки точности опытных данных проведены расчеты расхода борозды по теоретическим формулам (см. главу 4), которые приведены в таблице 11. Результаты сопоставления значений расходов из борозды для соответствующей перфорации и диаметра отверстия в таблицах 9-11 свидетельствуют об их близком совпадении, что подтверждает достаточную точность проведенных опытов на фильтрационном лотке. На основании проведенных исследований получаем график зависимости расхода инфильтрации из борозды от диаметра отверстия и степени перфорации пленочного покрытия (рисунок 11). Анализ этих данных показывает, что между расходом и процентом перфорации имеется зависимость, близкая к линейной. В результате обработки опытных данных с учетом всех серии опытов получена общая эмпирическая формула, для определения расхода из борозды, зависящая от двух основных факторов — диаметра d и степени перфорации /7 В процессе исследований на фильтрационном лотке проводилось фиксирование контуров увлажнения под каждой бороздой с пленочным перфорированным покрытием (рисунок 13). Анализ контуров увлажнения в зависимости от степени перфорации пленочного покрытия показывает, что наиболее значительными (на 50-60 % и более) являются контуры с перфорацией 0,75 и 1,0 %. В связи с этим для практики следует рекомендовать степень перфорации, соответствующей 1,0 %. В таблице 12 приведены параметры контуров увлажнения.
Теория водопроницаемости пленочного перфорированного покрытия борозды
Покрытие перфорированной полиэтиленовой пленкой поливных борозд позволяет сократить физическое испарение влаги с поверхности, уменьшить потери воды на фильтрацию. В данном разделе рассматривается теория водопроницаемости пленочного покрытия через отверстия его перфорации для условий установившейся фильтрации. Теория водопроницаемости пленочного перфорированного покрытия основывается на теории фильтрации и теории дренажа, заложенных в классических трудах П.Я. Полубариновой-Кочиной [92], С.Ф. Аверьянова [1-3], В.В. Ведерникова [22, 23], Н.Н. Павловского [86, 87], Н.П. Недриги [82]. Для расчета водопроницаемости пленочного покрытия используем как обычные допущения теории фильтрации, так и особые из теории водопроницаемости: 1) движение потока считается установившимся и подчиняющимся закону ламинарной фильтрации (закону Дарси); 2) почвогрунт в основании принимается однородным и изотропным с постоянным значением коэффициента фильтрации к во всех направлениях; 3) пленочное покрытие плотно прилегает к почвогрунту основания по всей поверхности соприкосновения; 4) фильтрация через отверстия перфорации пленочного покрытия носит локальный характер и соответствует осесимметричнои схеме движения потока; 5) область фильтрации в почвенном основании под отверстием пленочного покрытия принимается цилиндрической с неполным влагонасыщением, характеризующимся коэффициентом фильтрации кф.
Представим себе область движения впитавшейся воды через отверстие пленочного покрытия в виде цилиндрического фрагмента на рисунке 19. Ширина цилиндрического фрагмента будет определяться величиной где Р — коэффициент бокового растекания фильтрационного потока НК - высота капиллярного вакуума грунта (принимаем по данным Н.Н. Биндемана в пределах 0,5-0,07 hK); hK высота капиллярного поднятия воды в грунте; кф - коэффициент фильтрации грунта основания при неполном влагона- сыщении. Схема последовательных конформных отображений для решения данной задачи приведена на рисунке 20. Приближенное решение задачи определения водопроницаемости через отдельный цилиндрический фрагмент состоит сначала в рассмотрении плоской задачи с последующим установлением связи с осесимметричнои задачей в виде интегральных преобразований Г.Н. Положего [93] где (p{r,z), xj/{r,z) - функция потенциала скорости и расхода осесимметрич- ного потока; р{ z), lf/{ ,z) - функция потенциала и расхода плоского потока. Граничные условия для области комплексного потенциала согласно П.Я. Полубариновой-Кочиной [92] будут следующими В силу симметрии будем рассматривать правую половину области инфильтрации % представляющей собой полуцилиндр (рисунок 20,а). С помощью интеграла Кристоффеля-Шварца конформно отобразим область на вспомогательную полуплоскость т (рисунок 20,6) где А и В - комплексные постоянные; а\, а2, #з й4 _ координаты точек 1, 2, 3, 4 на вспомогательной полуплоскости г; Of 1,0 2,0 GfK - Доли углов от 71 многоугольника области фильтрации . Заменяя угол в точке 3 вместо Л"/2 на л , что приемлемо для мощности основания при Т Д, будем иметь количество отверстий перфорации; д0 - расход фильтрационного потока через отдельное отверстие перфорации, определяемое по формуле (4.24). При наличии на пленочном покрытии илистого экрана (см. рисунок 18,6) расчет расхода фильтрации через единичное отверстие проводится по формуле
