Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса
1.1.Сапропель - природный ресурс местного сырья для производства удобрений 7
1.2 Методы и технические средства добычи сапропеля 14
1.2.1. Добыча и использование сапропеля за рубежом 15
1.2.2. Способы и технические средства добычи сапропеля в Российской Федерации и СНГ 19
1.2.3 Добыча сапропеля средствами гидромеханизации 20
1.2.4 Экскавация залежи 24
1.2.5 Добыча сапропеля экскаваторами 26
1.2.6 Грейферный способ добычи сапропеля 27
1.2.7 Шнеково-скребковый способ добычи сапропеля 28
1.3 Цели и задачи исследований 30
Глава 2. Теоретические компоненты процесса добычи и гидротранспортирования сапропеля 31
2.1 Теоретическое обоснование режима работы и параметров сапропеледобывающей установки 31
2.2 Рабочее давление гидравлической массы (сапропеля) в шнековом насосе нагнетателе 41
2.4 Выводы по главе 2 45
Глава 3. Объекты, условия и методики иследований 47
3.1 Объекты и условия проведения исследований 47
3.2 Экспериментальная установка 57
3.3 Частные методики исследований 60
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1 Условия формирования сапропелевых месторождений Приамурья. 67
4.2 Пригодность сапропелей Приамурья на удобрения по слоям залежи 70
4.3 Экспериментальные исследования режимов работы шнекового насоса 82
4.4 Обоснование рациональной формы проходных сечений в напорной гидравлической системе сапропеля 83
4.5 Обоснование оптимальных значений конструктивно-режимных параметров-сапропеледобывающей установки 86
Глава 5. Результаты исследований 94
5.1 Технология работ и комплекс машин для послойной разработки сапропеля 94
5.2 Эффективность сапропелевых удобрений при выращивании овощных культур на орошаемых землях 107
5.2.1 Водный режим почв при орошении овощных культур 114
5.2.2. Ранняя капуста 116
5.2.3. Огурцы 131
Глава 6. Энергетическая эффективностьь послойной разработки сапропеля 142
Литература 154
Приложения 166
- Способы и технические средства добычи сапропеля в Российской Федерации и СНГ
- Рабочее давление гидравлической массы (сапропеля) в шнековом насосе нагнетателе
- Обоснование рациональной формы проходных сечений в напорной гидравлической системе сапропеля
- Эффективность сапропелевых удобрений при выращивании овощных культур на орошаемых землях
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем, которая стоит сегодня перед учеными - аграрниками, является поиск эффективных путей разработки сапропеля на удобрение с целью увеличения выпуска продукции растениеводства на основе повышения плодородия почвы в зональных научно обоснованных системах земледелия.
Амурская область является крупнейшим сельскохозяйственным районом Дальнего Востока; здесь сосредоточено около 40% сельскохозяйственных угодий, более 60% пахотных земель и почти 45% мелиорированных земель региона. В настоящее время поставки минеральных удобрений в область сократились в десять раз, выход навоза от общественного стада в шесть раз. Из-за отсутствия в достаточном количестве минеральных удобрений в расчете на 1 га посевов в области за последние годы их вносится 5...8 кг, органических — 100...110 кг. По этим причинам выведено из севооборота более 60% сельскохозяйственных угодий и пашни, Наличие существующей кормовой базы, подстилочного материала, способы содержания животных и запасы торфа не могут обеспечить производство органических удобрений в полной мере. Одним из важнейших резервов органического сырья являются богатейшие запасы озерных сапропе-лей.
Из-за недостаточной изученности сапропелевых месторождений эти природные удобрения не нашли широкого применения в сельском хозяйстве Дальнего Востока, как местные ресурсы органического сырья сапропелей практически не используются. Вместе с тем установлено, что специфические условия формирования и залегания сапропелевых отложений приводят к образованию материала, для использования потенциальных резервов которого требуется ряд технологических приемов.
Решению указанной народнохозяйственной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная автором в период 1998 - 2002 гг. в рамках республиканской целевой программы "Плодородие почв".
Цель диссертационной работы — разработать научное обоснование по слойной разработки сапропеля естественной влажности на удобрение, определить физико-механические и агрономические свойства сапропелей Приамурья, определить оптимальные параметры шнекового насоса, выявить критерии и параметры эффективности внесения сапропелевых удобрений под овощные культуры при различном водном режиме мелиорированных земель южной зоны Приамурья.
Исходя из этого, были поставлены следующие задачи: выполнить комплексную оценку сапропелевых залежей для использования в качестве удобрений, уточнить режимы орошения овощных культур при различных уровнях внесения сапропеля, изучить влияние различных доз сапропелевых удобрений на формирование урожая и потребление элементов питания овощными культурами; обосновать оптимальные конструктивно-режимные параметры рабочих органов сапропеледобывающей установки, определить энергетическую эффективность послойной разработки сапропеля.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в Амурской области использован комплексный подход (с выделением в качестве главных критериев для оценки качества сапропеля, физико-механических свойств и агрохимических характеристик залежи), разработана методика определения слоя залегания сапропеля, пригодного на удобрение, определены оптимальные конструктивно-режимные параметры шнекового насоса. Выполнено математическое описание взаимодействия сапропеля естественной влажности с винтовой поверхностью. Уточнены оптимальные уровни влажности почвы и режимы орошения овощных культур при оптимальном уровне внесения сапропелевых удобрений. Изучена продуктивность овощных культур и качество урожая при внесении сапропеля на мелиорированных землях.
Практическая ценность исследований заключается в определении физико-механических и агрономических свойства сапропелей Приамурья, обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры шнекового насоса, исследовано рациональное использование местного органического удобрения на мелиорированных землях, что позволит планировать урожай овощных куль тур. Практическое внедрение оптимального режима орошения в сочетании с регулированием обеспеченности почв элементами питания существенно повысит продуктивность орошаемых земель.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований Дальневосточного НИИ гидротехники и мелиорации по заданию 9-08-ЗВ "Приготовление и использование органоминеральных удобрений" № гос. регистрации 01.99.00 05172, и по теме 15.2 «Разработка технологических схем добычи и переработки местных органических удобрений» Дальневосточного государственный аграрный университет.
Апробация. Основные положения диссертационной работы, обобщены и одобрены на конференциях ДальГАУ, (1998-2003 гг.), Всероссийской научно -практической конференции (г. Красноярск 2001 г.), международной научно -практической конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» (Волгоград 2003 г.)
Публикации. Основные направления диссертации опубликованы в семи работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на123 страницах основного текста, содержит 29 таблиц, 20 рисунков.
Способы и технические средства добычи сапропеля в Российской Федерации и СНГ
При этом внедрялись следующие приемы: - непосредственной подачи сапропелей на удобряемые поля; - поверхностное внесение сапропелей на прибрежные пойменные луга; - добыча с транспортировкой в специальные отстойники для приготов ления удобрений; - кольматация заболоченных прибрежных пойменных болот, Разработка сапропелевых "залежей может осуществляться разными способами; - гидромеханизации (землесосными и гидроэжекторньши установками); - механическими (экскаваторами, шнековыми установками, грейферными плавкранами). Транспортировку сапропеля с места добычи выполняют баржи или пульпопроводы, автосамосвалы. Обработка сапропеля для удобрений включает следующие этапы: - складирование; - намыв (непосредственно на поля или отстойники); - обезвоживание разными средствами; - брикетирование, гранулирование, затаривание в пакеты; V - погрузка и транспортировка для доставки потребителю, В производственных условиях установлено, что для подачи сред с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков целесооб- разно использовать объемные и динамические насосы [80, 98]. С целью выявления наиболее рационального типа для подачи сапропеля были проведены исследования при различных режимах работы, изменяющейся влажности и температуры. В условиях подводной разработки наиболее распространенным методом добычи сапропеля в нашей стране стал гидромеханизированный способ экс- кавации залежи с гидротранспортированием сапропелей по трубам к потре- бителю или в места складирования.
При этом способе разработку залежи в открытом водоеме можно вести практически при любой глубине воды; в од- ном технологическом цикле удобно сочетаются гидротранспортирование и укладка сапропелей на берегу. Гидротранспортирование пульпы возможно на сравнительно большие расстояния (на десятки и даже сотни километров). Оборудование гидромеханизации - несложное. Процесс легко поддается автоматизации. Особенностью гидромеханизации является высокая производительность установок при малой затрате рабочей силы на их обслуживание [94,120]. Разработку залежи и гидротранспортировку пульпы осуществляют земснарядами (МЗ-ЗА, МЗ-8, ЗРС-Г, 35А, 80-30, ВП34-2, ЭРС-1, 150-45, 200-50, 300-40, 500-60) производительностью от 25 до 5000 м3/ч с различными грун-тозаборными устройствами [33, 56].
Опыт показал, что применяемые для разработки минеральных пород грунтозаборные устройства оказались неэффективными при экскавации сапропелевой массы с высокими вязкостными характеристиками. Был предложен принципиально новый способ грунтозаборного устройства сапропелевой массы путем ее скреперования. С помощью грунтозаборных устройств залеж экскавировали и смешивали с озерной водой, затем пульпу грунтонасосом по трубам перекачивали в отстойники, где она отстаивалась, твердые частицы осаждались, а осветленную воду через водосливные колодцы возвращали обычно в озеро. Использование трубопроводного транспорта делает рентабельной подачу сапропелей на большие расстояния и позволяет наиболее рационально решить проблему применения органического сырья [69]. Действие физических и химических факторов может ускорять процесс обезвоживания сапропеля в отстойниках. Однако эти методы еще недостаточно изучены и находятся в стадии эксперимента [58], Существующие в настоящее время технологии имеют ряд существенных недостатков.
Рабочее давление гидравлической массы (сапропеля) в шнековом насосе нагнетателе
Для осуществления перемещения сапропеля с помощью шнекового насоса требуется знать давление, развиваемое работающим насосом, необходимое для создания нужного напора в системе гидротранспорта. Из уравнения & pfczdr = 0 следует, что давление в нагнетателе имеет следующий вид: где Р и Р2 - неизвестные функции подлежащие определению. Выход сапропеля осуществляется через боковое отверстие во втулке насоса. Поэтому рабочее давление — это давление на втулку в месте расположения отверстия. Для его определения проинтегрируем уравнение (2.15) по интервалу (J?,, ) , Функция P2 находится интегрированием выражения (2.27) где Рос - давление на ступицу в нижней части на входе в нагнетатель, равное гидростатическому давлению на данной глубине и давлению, создаваемому заборным устройством. Общее давление на втулку после вычисления интегралов в (2.47) с учетом приближенных равенств Исследования добавок сапропеля под овощные культуры проводились на автоматизированной оросительной системе в СХПК "Волковский", состоящей из 2-х модульных участков с площадью орошения по 16 га каждый (рис. ЗЛ). Модульный участок представляет собой закольцованную сеть закрытых напорных трубопроводов с установленными на гидрантах 20 дальнеструйными дождевальными аппаратами ДЦ-30 [8, 9], Каждый из аппаратов оборудован гидро-управляемым затвором, обеспечивающим включение дождевального аппарата в работу и его выключение. Поочередное открытие и закрытие затворов производится посредством импульсов давления в напорной сети. Импульсы давления (периодические кратковременные снижения давления) создают гидравлические программные устройства (гидропрограмматоры), установленные на головных участках напорных трубопроводов. Вода в напорный трубопровод модульного участка подается передвижной насосной станцией СНП 75/100 из открытого водоисточника. Трубопроводы модульного участка выполнены из стальных труб диаметром 150 мм. Гидранты под дождевальные аппараты изготовлены из труб диаметром 100 мм. Трубопроводы модульных участков заложены в зоне сезонного промерзания грунтов на глубине 1,0, „1,2 м. Для предупреждения деформации от морозного пучения гидранты ограждены асбестоцементными трубами диаметром 289 мм с засыпкой пространства между гидрантами и трубами песком. Для сброса избыточного давления при не включении дождевальных аппаратов на напорной сети установлены предохранительно-сбросные устройства.
Опорожнение напорной сети от воды производится через сбросные трубопроводы, выведенные в открытые каналы и оборудованные задвижками. Источником орошения является водохранилище на реке Малый Алим, вода из которого подается передвижной насосной станцией в магистральный трубопровод. Почвенный покров оросительной системы однороден и представлен луговыми глеевыми оструктуренными почвами, развитыми в центральной части высокой поймы р. Малый Алим. Поверхность почвы имеет слабоволнистую форму» По механическому составу почвы на всю глубину профиля являются глинистыми [102]. По визуальной морфологической оценке почвы обладают зернистой дробовидно-окатанной структурой- Благодаря острукту-ренности иллювиального горизонта, луговые глеевые почвы имеют весьма низкую плотность по всему профилю. Плотность пахотного слоя составляет 0,93...1,11 г/см3, которая является оптимальной для большинства сельскохозяйственных растений [17]. Подпахотные горизонты (табл, 3.2) отличаются повышенной плотностью (1,35.-Л,43 г/см3) и соответственно более низкой, чем луговые чернозем овидные почвы [102], порозностью (42.., 49%) и водоотдачей (до 4...10%).К положительным особенностям почв участка, с точки зрения формирования водного режима в период муссонных дождей, должна быть отнесена также большая мощность иллювиального горизонта (до 1,2 метра). Высокое содержание коллоидов и ила в почвах обусловливает значительную максимальную гигроскопичность- от 8,3.,Л2 до 17,,.19% и влажность завядания, равную 13.,.21% от массы почвы.
Обоснование рациональной формы проходных сечений в напорной гидравлической системе сапропеля
При разработке сапропеля для повышения эффективности технологических процессов и надежности работы напорной гидравлической системы подачи необходимо обеспечить беспрерывное и равномерное поступление сапропеля к рабочим органам- Во время подачи сапропелю приходится перемещаться по трубам и отверстиям различных форм и сечений. Длительная практика эксплуатации систем для перекачки сапропеля и сред с твердыми волокнистыми включениями показала, что при технологическом процессе и особенно при длительных остановках в поточной части происходит отложение частиц. Все это приводит к снижению производительности системы и забиванию каналов. Процесс течения через отверстия жидкости изучен достаточно хорошо. Что же касается сапропеля, то подобных исследований почти не проводилось- В связи с этим возникла необходимость провести исследования и установить зависимость подачи от размеров и форм отверстия, влажности и температуры сапропеля. Для определения оптимальных условий течения были проведены исследования с круглыми, квадратными и прямоугольными сечениями.
Данные таблицы 4.6 показывают, что круглые отверстия обладают большей пропускной способностью, чем равновеликие с ними по площади квадратные и прямоугольные. Меньшую пропускную способность четырехугольных отверстий по сравнению с круглыми отверстиями профессор М.Н. Летошнев [57] объясняет влиянием углов, которые способствуют образованию заторов и, следовательно, уменьшают величину свободного отверстия. Несомненно, что при течении сапропеля через четырехугольное отверстие сказывается влияние углов. Причем, это влияние, очевидно должно уменьшаться по мере возрастания плошади сечения, так как при этом площадь участков при углах остается постоянной и ее влияние относительно уменьшается. На этом основании следовало бы ожидать, что абсолютная разница расхода сапропеля, проходящего через круглые и четырехугольные отверстия по мере увеличения площади сечений будет уменьшаться. Однако, разница подачи сапропеля» проходящего через круглые и четырехугольные отверстия не уменьшается, а увеличивается. Это обстоятельство позволяет предполагать, что здесь сказывается не только влияние углов, но и других факторов.
Изучение данного вопроса показало, что на пропускную способность также оказывает влияние периметр отверстия. Для выявления влияние периметра сапропель пропускали через прямоугольные отверстия одинаковой площади, но с разными периметрами. Полученные при этом данные приведены в таблице 4.6 происходит торможение струи. Поэтому, при течении через равновеликие отверстия различной формы подача больше, чем меньше периметр отверстия. Различные по форме отверстия при одной и той же площади имеют неравные периметры. Наименьший периметр имеют круглые отверстия, квадратные имеют больший, а еще больший - прямоугольные. Причем, с возрастанием этих площадей разница в величине периметров также возрастает»
Следовательно, при разработке технологии добычи сапропеля эти закономерности необходимо учитывать. Кроме того, физико-механические свойства сапропеля изменяются в зависимости от глубины залегания, а при подъеме на поверхность зеркала воды и от температуры воздуха. Для исследования закономерностей влияния внешних факторов на течение сапропеля были проведены лабораторные исследования. Величины факторов и уровней их варьирования выбирали в процессе проведения априорных экспериментов, которые представлены в таблице 4.7. Для круглых отверстий. квадратных отверстий. Для прямоугольных отверстий Оптимизация процесса течения сапропеля позволила выявить, что наибольшую подачу обеспечивают отверстия при верхних уровнях переменных факторов - W- 90,20%; t - 30С; S- 0,0046 см\ Совместное взаимодействие факторов также положительно влияет на величину подачи.
Эффективность сапропелевых удобрений при выращивании овощных культур на орошаемых землях
Распределение осадков внутри месяца влияет на формирование водного режима почв. В одном случае выпадение осадки равномерно в течение всего месяца, поддерживая при этом оптимальный режим влажности почв или устойчивое переувлажненное состояние, в другом случае режим осадков отличается неравномерностью» и основная доля атмосферных осадков приходится на два-три ливня, вызывающих кратковременное переувлажнение почв. При таком режиме выпадения осадков внутри месяца могут отмечаться периоды с недостаточным увлажнением почв, несмотря на общую избыточность месячных сумм атмосферных осадков. В Приамурье атмосферные осадки и течение теплого периода распределяются неравномерно: дефицит осадков весной и в первой половине лета и избыток осадков во второй половине лета. Методика анализа внутри месячного распределения атмосферных осадков в выделенные периоды должна быть различной. Весной и в первой половине лета следует выявить такие показатели в режиме выпадения атмосферных осадков, которые бы, определяя режим увлажнения почв, характеризовали потребность в оросительных мелиорациях. Во второй половине лета должны быть выделены характерные особенности хода выпадения атмосферных осадков внутри отдельных месяцев, которые в большей степени влияют на водный режим почв и определяют режим работы осушительных систем.
Исследования внутри месячного распределения атмосферных осадков для зоны недостаточного увлажнения выполнены П. М. Степановым [102]. В основу анализа положено понятие об "эффективных и неэффективных осадках", В соответствии с работой A.M. Алпатьева [12] и других П.М. Степанов [102] разделяет все атмосферные осадки, выпадающие в течение месяца, на неэффективные {0...5 мм сутки), эффективные (6...20 мм сутки), частично эффективные (более 20 мм сутки) и по их соотношению судит о ходе внутри месячного выпадения осадков. По существу такой анализ дает структуру месячных сумм атмосферных осадков без учета хронологического хода выпадения осадков, особенности которого во многом определяют режим влажности почв.
Более целесообразно при анализе внутри месячного распределения атмосферных осадков в сравнительно сухую весну и первую половину лета выделять за каждый год отдельные бездождные периоды, характеризуя их такими показателями, как продолжительность и испаряемость [45]» За без-дождный период принимали ряд суток, и течение которых атмосферные осадки не выпадали или их величина не превышала 5 мм в сутки [102, 103].
Каждый второй год в мае отмечаются бездождные периоды до 13 18 суток. Один раз в десять лет он длится 25.,30 дней, т.е. в мае практически не выпадает ни одного биологически активного дождя. Дефицит осадков достигает 40...80 мм раз в десять лет. В июне продолжительность бездождевых периодов остается на том же уровне, а дефицит осадков возрастает в связи с повышением испаряемости (табл. 5.1). В июле засушливые периоды преимущественно бывают в первой половине месяца. Со второй половины июля летний муссон переходит во вторую стадию развития, характеризующуюся резким увеличением количества атмосферных осадков. С середины июля по сентябрь муссон представляет собой распространение очень влажных и теплых океанических масс уже не только морского умеренного воздуха, а также морского тропического воздуха на Амурскую область. Поэтому на вторую половину лета приходится основная масса обильных и ливневых осадков. В это же время на территорию области проникают тропические циклоны, вызывающие катастрофические наводнения в реках области.
Сумма осадков в этот период складывается из нескольких сильных дождей. За 6..-7 дождей выпадает 90...98% месячной суммы осадков, за трое суток может выпасть 60,».75% месячной суммы. Ежегодно во всех районах Приамурья за отдельные дни выпадает 30...40 мм осадков, нередки случаи выпадения за сутки 80,..100 мм осадков и более.
При выпадении больших сумм атмосферных осадков над водоупорными горизонтами образуется верховодка, являющаяся причиной избыточного периодического увлажнения тяжелых почв. Наиболее сильно переувлажнению подвержены луговые глеевые почвы, занимающие пониженные плоские элементы рельефа. В естественных условиях разной длительности периоды избыточного увлажнения у них наблюдаются в восьми годах из десяти [102]. Однако даже у этого типа почвы отмечаются периоды с дефицитами почвенной влаги. Вполне очевидно, что в случае проведения осушительных мелиорации, обеспечивающих освобождение почвенной толщи от стояния гравитационных подпертых вод, число периодов с недостатками почвенной влаги у луговых глеевых почв многократно возрастает.
А.Н. Степанов [102] задачи мелиорации земель в Приамурье определил "„.в ликвидации избыточного увлажнения почв во второй половине лета и осенью и в восполнении дефицита влаги в почве весной и в первой половине лета". Большинство почв Приамурья, отмечает A.M. Черноухов [119], отличается маломощным гумусовым горизонтом, тяжелым механическим составом и плохими водно-физическими свойствами. Пахотный слой подстилается плотными слабопроницаемыми глинами. В период муссонных дождей в пахотном слое надолго задерживается верховодка. Корневая система растений почти не проникает в подпахотные слои. Маломощный активный слой почвы быстро пересыхает при jacyxe и переувлажняется при дождях. Ранние культуры в этих условиях чаще всего угнетаются засухой и дают низкие урожаи. Поздние культуры испытывают вредное воздействие сначала засухи, а в период формирования урожая - избытка влаги в почве, В целом для Приамурья, считает А.М Черноухое [102], нужна мелиорация земель с двусторонним регулированием водного режима почв. Колебания годовых сумм атмосферных осадков, неравномерное их распределение внутри года и своеобразие водно-физических свойств почв приводят к тому, что на одном и том же поле в одни годы или периоды сельскохозяйственные культуры страдают от переувлажнения, в других случаях влагообеспечение их будет оптимальным и, наконец, может происходить резкое снижение урожайности культур из-за недостатка почвенной влаги. В этих условиях потребность в гидромели орациях общим итогом выражается в необходимости двустороннего регулирования водного режима. Экономическая целесообразность проведения тех или иных видов и способов мелиорации зависит от конкретных условий - типа почвы и возделываемых культур (севооборота).
